El Oro es uno de los metales más deseados del mundo. El precioso metal amarillo es raro en la naturaleza y se ha utilizado como medio de moneda y en la fabricación de joyas desde la antigüedad (Figura 1).1 se cree que el oro es traído a la Tierra por los meteoros, ¡realmente es de este mundo!2 Hay muchas razones por las que el oro es especial y por las que ha mantenido su valor en nuestras sociedades., Pero, el oro podría ser aún más especial de lo que pensábamos.
al elaborar y procesar este metal brillante, las personas han aprendido gradualmente sus propiedades físicas y químicas., «True gold fears no fire» es un antiguo idioma chino, que se origina en el hecho de que el oro a granel permanece intacto y brillante cuando se coloca sobre Fuegos de madera (600-1000 °C), mientras que la mayoría de los otros metales (como el cobre, el zinc y el níquel y sus aleaciones) se fundirían y/o se empañarían en esas condiciones. En términos químicos, decimos que el oro tiene una excelente estabilidad química contra la oxidación y un punto de fusión relativamente alto (1064 °C). Pero resulta que, gracias a la nanociencia, hay maneras de cambiar cómo se comporta el oro a diferentes temperaturas mientras se preservan sus otras características especiales.,
usemos nuestra experiencia diaria con el agua como ejemplo para ayudar a entender lo que está pasando con el oro. Sabemos que el hielo (sólido) parece fundirse siempre en agua (líquido) a una temperatura fija, y luego el agua parece evaporarse siempre en vapor (gas) a una temperatura fija. Estas temperaturas se conocen como el punto de fusión y el punto de ebullición, respectivamente. Los puntos de fusión y ebullición pueden ser diferentes dependiendo de la presión local. Esta es la razón por la que sus recetas para cocinar o hornear pueden tener instrucciones diferentes para altitudes altas, que tienen una presión de aire más baja que las altitudes bajas.,
no tenemos que subir y bajar montañas para manipular el punto de ebullición, sin embargo. Podemos hacer esto fácilmente cambiando la presión local, que es cómo funciona una olla a presión: al aumentar la presión, el punto de ebullición del agua aumenta a una temperatura más alta, lo que significa que el agua puede calentarse más sin evaporarse, lo que hace que los alimentos se cocinen más rápido (Figura 2).
para entender cómo una olla a presión aumenta la presión dentro, tenemos que recordar lo que sucede con las moléculas de un líquido cuando se calienta: ¡comienzan a separarse más! El punto de fusión, Sin embargo, es mucho menos sensible al cambio de presión local. Esto se debe a que, en comparación con el líquido que se evapora en gas, el volumen generalmente no aumenta demasiado cuando los sólidos se funden en líquidos. (Nota al margen: el agua es inusual en que su volumen en realidad se hace más grande cuando se congela a un sólido – alguna vez tener una lata de refresco explotar en el congelador?, – pero eso es un tema para otro post!)
el punto principal es que no es práctico manipular el punto de fusión de una sustancia cambiando la presión local; tendría que hacer un cambio drástico en la presión para obtener incluso un pequeño cambio en el punto de fusión (Figura 3).
pero, ¿hay otras formas de alterar el punto de fusión de un material?, Y volviendo al tema principal de este post, ¿podemos derretir el oro a temperatura ambiente?
en una entrada de blog anterior, «las nanopartículas están a nuestro alrededor», discutimos que a medida que el tamaño de un material disminuye a nanoescala, muchas propiedades físicas y químicas también cambian. Esto se debe principalmente al «efecto superficial», o al aumento de la relación superficie-volumen (Figura 4).3
El color del oro, por ejemplo, cambia de amarillo brillante a rojo oscuro cuando su tamaño disminuye al rango nanométrico (Figura 5). Entonces, ¿cómo cambia el punto de fusión de un material a medida que su tamaño disminuye a la nanoescala?
ya en 1871 (cuando no tenía forma de ver realmente las nanopartículas), Sir William Thomson mostró que el punto de fusión cambia inversamente con el radio de una partícula de acuerdo con la siguiente ecuación, conocida hoy como la ecuación Gibbs-Thomson4:
si se conecta información sobre el tamaño de partícula del material y otras características, esta ecuación muestra que el tamaño y el punto de fusión están directamente relacionados. A medida que el tamaño del material disminuye, el punto de fusión también disminuirá., Este fenómeno se conoce comúnmente como»depresión del punto de fusión».5
La Figura 6 muestra la relación entre el tamaño de la nanopartícula y el punto de fusión para el oro de acuerdo con la ecuación de Gibbs-Thomson. Como podemos ver, el punto de fusión de las nanopartículas de oro puede ser incluso menor que la temperatura ambiente (~23-25 °C) cuando el tamaño disminuye a menos de aproximadamente 1.,4 nm. En ese tamaño, solo hay alrededor de 85 átomos presentes en cada nanopartícula, y la mayoría de los átomos están expuestos en la superficie.6 (en contraste, en una partícula de 4 nm, hay casi 2000 átomos de oro, dejando la mayoría de los átomos todavía en el interior de la partícula. ¿Te preguntas Cómo sabemos esto? Vea nuestra entrada de blog, » ¿Cómo se puede calcular cuántos átomos hay en una nanopartícula?»)
la diferencia entre un sólido y un líquido es fácil de ver para objetos de tamaño normal: los líquidos se mueven, fluyen y toman la forma de cualquier contenedor en el que se colocan, pero los sólidos son rígidos y no se derraman alrededor.,7 ¿pero hay alguna manera de visualizar directamente las «nanopartículas líquidas» que hemos estado describiendo aquí?
la microscopía electrónica de transmisión (TEM) es muy adecuada para este propósito. Cuando los haces de electrones golpean una muestra, pueden calentarse y derretir las nanopartículas. Los átomos en una muestra también pueden causar que haces de electrones incidentes difracten en muchas direcciones específicas., Al medir los ángulos e intensidades de estos haces difractados, se pueden crear patrones de difracción y determinar la posición de los átomos en la muestra. Los átomos generalmente están muy ordenados en sólidos, pero se mueven en líquidos, lo que dará lugar a diferentes patrones de difracción. Los patrones de manchas se observan generalmente para muestras sólidas, mientras que los patrones de halo se observan generalmente para muestras líquidas. Entonces podemos diferenciar el estado sólido del estado líquido mirando sus patrones de difracción de electrones., (Para más información sobre microscopía electrónica, vea nuestro post «naturaleza bajo un microscopio: explorando la belleza de la nanociencia».)
ya en 1954, Takagi utilizó por primera vez esta estrategia para probar la «supresión del punto de fusión» (Figura 8). Eligió el plomo para estudiar porque tiene un punto de fusión relativamente bajo, y se puede convertir fácilmente en una película de 5 nm de espesor., Bajo TEM, Takagi y su equipo vieron que el punto de fusión de una película de plomo de 5 nm de espesor disminuyó de los habituales 327 ° C a 170 °C. 9
aunque los resultados de Takagi fueron impresionantes, no fueron capaces de capturar la transición de sólido a líquido en tiempo real. Hoy en día podemos hacerlo gracias al desarrollo de lo que se llama TEM in situ.10 cuando se colocaron nanopartículas de plata menores de 10 nm en una punta de tungsteno, los investigadores observaron un comportamiento «similar al líquido» bajo ciertas circunstancias., Las nanopartículas de plata permanecieron altamente cristalinas en el interior, lo que sugiere que no se fundieron; si las partículas se hubieran derretido, esperaríamos ver ningún patrón cristalino y una disposición atómica completamente aleatoria (como el patrón de halo de la figura 8). Este interesante comportamiento «líquido» se atribuyó a los átomos de la nanopartícula de plata moviéndose bajo presión, dando la ilusión de que está derretida (Figura 9).,
todo esto nos ayuda a entender que, aunque la gente solía pensar que «el oro verdadero no teme al fuego», ahora sabemos que los metales a nanoescala, incluido el oro, pueden comportarse como líquidos a temperatura ambiente.,
por un lado, la depresión del punto de fusión podría hacer que algunas nanopartículas sean menos útiles, si necesitan estar en estado sólido para funcionar en sus aplicaciones tecnológicas. Por otro lado, la depresión del punto de fusión también es muy útil para aplicaciones donde las nanopartículas funcionan mejor en estado líquido. Por ejemplo, podemos cambiar fácilmente la forma de los materiales nanoescalados a temperaturas mucho más bajas de lo que sugeriría su punto de fusión.
Por lo tanto, la respuesta a la pregunta con la que empezamos es: ¡sí!, En teoría, el oro, o cualquier otro material, puede considerarse como «fundido» gracias a las increíbles propiedades de los materiales a nanoescala.
recursos educativos
- La Asociación Internacional para las propiedades del agua y el vapor: ¿por qué el agua se expande cuando se congela?
- Journal of Chemical Education: The Science of Chocolate: Interactive Activities on Phase Transitions, Emulsification, and Nucleation by Amy Rowat et al., (puede requerir suscripción)
- extensión de la Universidad de Georgia: la ciencia detrás de nuestros alimentos: usando la depresión del punto de congelación para encontrar el peso Molecular
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