guld er et af de mest ønskede metaller i verden. Det ædle gule metal er sjældent i naturen og er blevet brugt som et medium af valuta og til fremstilling af smykker siden oldtiden (Figur 1).1 menes at blive bragt til jorden af meteorer, guld er virkelig ud af denne verden!2 der er mange grunde til, at guld er specielt, og hvorfor det har opretholdt sin værdi i vores samfund., Men guld kan være endnu mere specielt, end vi troede.
Ved at fremstille og behandling af dette skinnende metal, folk har efterhånden lært sin fysiske og kemiske egenskaber., “True guld frygt, ingen ild” er et gammelt Kinesisk udtryk, der stammer fra den kendsgerning, at hovedparten guld forbliver intakt og skinnende, når den placeres over træ brande (600-1000 °C), mens de fleste andre metaller, såsom kobber, zink og nikkel eller legeringer) ville smelte og/eller plette i disse betingelser. Kemisk set siger vi, at guld har fremragende kemisk stabilitet mod o .idation og et relativt højt smeltepunkt (1064.C). Men det viser sig, at der takket være nanovidenskab er måder at ændre, hvordan guld opfører sig ved forskellige temperaturer, samtidig med at de bevarer sine andre særlige egenskaber.,
lad os bruge vores daglige oplevelse med vand som et eksempel for at hjælpe med at forstå, hvad der sker med guld. Vi ved, at is (fast) ser ud til altid at smelte til vand (væske) ved en fast temperatur, og derefter synes vand altid at fordampe til damp (gas) ved en fast temperatur. Disse temperaturer kaldes henholdsvis smeltepunkt og kogepunkt. Smelte-og kogepunkterne kan være forskellige afhængigt af det lokale tryk. Derfor kan dine madlavnings-eller bageopskrifter have forskellige instruktioner for store højder, som har lavere lufttryk end lave højder.,
Vi behøver ikke at klatre op og ned ad bjergene for at manipulere kogepunktet. Vi kan nemt gøre dette ved at ændre det lokale tryk, Sådan fungerer en trykkomfur: ved at øge trykket øges vandets kogepunkt til en højere temperatur, hvilket betyder, at vandet kan blive varmere uden at fordampe, hvilket får maden til at koge hurtigere (figur 2).
for at forstå, hvordan en trykkomfur hæver trykket inde, skal vi huske, hvad der sker med molekylerne i en væske, når den opvarmes: de begynder at bevæge sig længere fra hinanden! Smeltepunkt er imidlertid meget mindre følsomt over for lokal trykændring. Dette skyldes, at sammenlignet med flydende fordampning til gas, øges volumenet generelt ikke for meget, når faste stoffer smelter til væsker. (Sidebesked: vand er usædvanligt, fordi dets volumen faktisk bliver større, når det fryser til et fast stof-har du nogensinde en dåse soda eksplodere i fryseren?, – men det er et emne for et andet indlæg!)
det vigtigste punkt det, at det ikke er praktisk at manipulere smeltepunktet for et stof ved at ændre det lokale Tryk – du bliver nødt til at foretage en drastisk ændring i trykket for at få endnu en lille ændring i smeltepunktet (figur 3).
Men, er der andre måder at ændre smeltepunktet af et materiale?, Og når vi kommer tilbage til hovedemnet i dette indlæg, kan vi smelte guld ved stuetemperatur?
i et tidligere blogindlæg, “nanopartikler er rundt omkring os”, diskuterede vi, at når størrelsen af et materiale falder til nanoskala, ændres mange fysiske og kemiske egenskaber også. Dette skyldes for det meste” overfladeeffekten ” eller det øgede overfladeareal-til-volumenforhold (figur 4).3
farven af guld, for eksempel, ændringer fra skinnende gul til mørk rød, når dens størrelse falder til nanometer området (Figur 5). Så hvordan ændres smeltepunktet for et materiale, når dets størrelse falder til nanoskalaen?
så tidligt Som 1871 (da han ikke havde nogen måde at rent faktisk se, at nanopartikler), Sir William Thomson viste, at smeltepunktet ændringer i omvendt forhold til den radius af en partikel i henhold til følgende ligning, der i dag er kendt som Gibbs-Thomson equation4:
Hvis du tilslutter oplysninger om materialets partikelstørrelse og andre karakteristika, denne ligning viser, at et materiale, størrelse og smeltepunkt er direkte relateret. Da materialets størrelse falder, vil smeltepunktet også falde., Dette fænomen er almindeligt kendt som”smeltepunkt depression”.5
Figur 6 viser forholdet mellem nanoparticle størrelse og smeltepunktet for guld ifølge Gibbs-Thomson ligning. Som vi kan se, kan smeltepunktet af guld nanopartikler være endnu lavere end stuetemperatur (~23-25.C), når størrelsen falder til mindre end omkring 1.,4 nm. 85 atomer til stede i hver nanopartikel, og de fleste af atomerne udsættes for overfladen.6 (i modsætning hertil er der i en 4 nm partikel næsten 2000 guldatomer, hvilket efterlader de fleste atomer stadig på indersiden af partiklen. Gad vide, hvordan vi ved det? Se vores blogindlæg, ” Hvordan kan du beregne, hvor mange atomer der er i en nanopartikel?”)
forskellen mellem et fast stof og en væske er let at se for objekter i normal størrelse: væsker bevæger sig, flyder og tager form af uanset hvilken beholder de sættes i, men faste stoffer er stive og ikke slosh rundt.,7 men er der en måde at direkte visualisere de “flydende nanopartikler”, vi har beskrevet her?
Transmissions elektron mikroskopi (TEM) er meget velegnet til dette formål. Når elektronstråler rammer en prøve, kan de varme op og smelte nanopartiklerne. Atomer i en prøve kan også forårsage hændelse elektronstråler til diffract i mange specifikke retninger., Ved at måle vinklerne og intensiteten af disse diffrakterede bjælker kan diffraktionsmønstre oprettes, og atomernes placering i prøven kan bestemmes. Atomer er generelt meget ordnet i faste stoffer, men bevæger sig rundt i væsker, hvilket vil resultere i forskellige diffraktionsmønstre. Spotty mønstre observeres normalt for faste prøver, mens halo mønstre normalt observeres for flydende prøver. Vi kan derefter differentiere fast tilstand fra flydende tilstand ved at se på deres elektrondiffraktionsmønstre., (For mere om elektronmikroskopi, se vores indlæg “Nature Under a Microscope: e .ploring the Beauty of Nanoscience”.)
så tidligt Som i 1954, Takagi første gang brugt denne strategi til at afprøve “smeltepunkt undertrykkelse” (Figur 8). Han valgte bly at studere, fordi det har et relativt lavt smeltepunkt, og kan let gøres til en 5 nm-tyk film., Under TEM, Takagi og hans team så, at smeltepunktet for en 5 nm tykke føre film faldt fra den sædvanlige 327 °C til 170 °C. 9
Selv om Takagi resultaterne var imponerende, var de ikke i stand til at fange solid-til-flydende overgang i realtid. I dag kan vi gøre dette takket være udviklingen af det, der kaldes in situ TEM.10 når sølv nanopartikler mindre end 10 nm blev anbragt på en tunolframspids, observerede forskerne en “væskelignende” adfærd under visse omstændigheder., Sølvnanopartiklerne forblev meget krystallinske i det indre, hvilket antydede, at de ikke smeltede — hvis partiklerne faktisk var smeltet, ville vi forvente at se ingen krystallinske mønstre og et fuldstændigt randomiseret atomarrangement (som halomønsteret fra figur 8). Denne interessante “væskelignende” opførsel blev tilskrevet atomerne på sølv nanopartiklen, der bevæger sig rundt under pres, hvilket giver illusionen om, at den er smeltet (figur 9).,
Alt dette hjælper os til at forstå, at selv om folk tror, at “ægte guld frygt, ingen ild,” vi ved nu, at i nanostørrelse, metaller, herunder guld, kan opføre sig som en væske ved stuetemperatur!,
på den ene side kan smeltepunktsdepression gøre nogle nanopartikler mindre nyttige, hvis de skal være i fast tilstand for at fungere i deres teknologiske applikationer. På den anden side er smeltepunktsdepression også meget nyttigt til applikationer, hvor nanopartikler fungerer bedre i flydende tilstand. For eksempel kan vi let ændre formen på nanoskalerede materialer ved meget lavere temperaturer, end deres smeltepunkt antyder.
derfor er svaret på det spørgsmål, vi startede med,: Ja!, I teorien kan guld eller andet materiale betragtes som” smeltet ” takket være de fantastiske egenskaber ved materialer ved nanoskalaen.
uddannelsesressourcer
- Den Internationale Sammenslutning for egenskaber ved vand og damp: hvorfor udvides vand, når det fryser?
- Journal of Chemical Education: The Science of Chocolate: Interaktive Aktiviteter på Fase-Overgange, Emulgerende, og Nukleær af Amy Rowat et al., (kan kræve abonnement)
- University of Georgia Extension: Videnskaben Bag vores Mad – ved Hjælp af Frysning-Punkt Depression til at Finde molekylvægt
Leave a Reply