L’Or est l’un des métaux les plus recherchés au monde. Le précieux métal jaune est rare dans la nature et a été utilisé comme moyen de monnaie et dans la fabrication de bijoux depuis l’Antiquité (Figure 1).1 on croit qu’il a été amené sur Terre par des météores, l’or est vraiment hors de ce monde!2 Il y a beaucoup de raisons que l’or est spécial et pourquoi il a maintenu sa valeur dans nos sociétés., Mais, l’or pourrait être encore plus spécial que nous le pensions.
en fabriquant et en traitant ce métal brillant, les gens ont progressivement appris ses propriétés physiques et chimiques., « True gold fears no fire » est un vieil idiome chinois, qui provient du fait que l’or en vrac reste intact et brillant lorsqu’il est placé sur des feux de bois (600-1000 °C), alors que la plupart des autres métaux (tels que le cuivre, le zinc et le nickel et leurs alliages) fondraient et/ou ternir dans ces conditions. En termes de chimie, nous disons que l’or a une excellente stabilité chimique contre l’oxydation et un point de fusion relativement élevé (1064 °c). Mais il s’avère que, grâce aux nanosciences, il existe des moyens de changer le comportement de l’or à différentes températures tout en préservant ses autres caractéristiques spéciales.,
utilisons notre expérience quotidienne avec l’eau comme exemple pour aider à comprendre ce qui se passe avec l’or. Nous savons que la glace (solide) semble toujours fondre en eau (liquide) à une température fixe, puis l’eau semble toujours s’évaporer en vapeur (gaz) à une température fixe. Ces températures sont appelées respectivement point de fusion et point d’ébullition. Les points de fusion et d’ébullition peuvent être différents en fonction de la pression locale. C’est pourquoi vos recettes de cuisine ou de cuisson peuvent avoir des instructions différentes pour les hautes altitudes, qui ont une pression d’air plus faible que les basses altitudes.,
nous n’avons pas besoin de monter et descendre des montagnes pour manipuler le point d’ébullition, cependant. Nous pouvons facilement le faire en changeant la pression locale, ce qui est le fonctionnement d’un autocuiseur: en augmentant la pression, le point d’ébullition de l’eau augmente à une température plus élevée, ce qui signifie que l’eau peut devenir plus chaude sans s’évaporer, ce qui rend la cuisson des aliments plus rapide (Figure 2).
pour comprendre comment un autocuiseur fait monter la pression à l’intérieur, il faut se rappeler ce qui arrive aux molécules d’un liquide quand il se réchauffe: elles commencent à s’éloigner! Le point de fusion, cependant, est beaucoup moins sensible au changement de pression local. En effet, par rapport à l’évaporation du liquide en gaz, le volume n’augmente généralement pas trop Lorsque les solides fondent en liquides. (Remarque: l’eau est inhabituelle en ce sens que son volume augmente réellement quand elle gèle à un solide-avez-vous déjà une canette de soda exploser dans le congélateur?, – mais c’est un sujet pour un autre post!)
le point principal est qu’il n’est pas pratique de manipuler le point de fusion d’une substance en modifiant la pression locale – il faudrait faire un changement radical de pression pour obtenir même un petit changement de point de fusion (Figure 3).
Mais, il existe d’autres moyens de modifier le point de fusion d’un matériau?, Et pour revenir au sujet principal de ce post, pouvons-nous faire fondre l’or à température ambiante?
Dans un précédent billet de blog, « les Nanoparticules Sont Tout Autour de Nous,” nous avons discuté comme la taille d’un matériau diminue à l’échelle nanométrique, de nombreuses propriétés physiques et chimiques changent également. Cela est principalement dû à « l’effet de surface”, ou à l’augmentation du rapport surface / volume (Figure 4).3
La couleur de l’or, par exemple, passe du jaune brillant au rouge foncé lorsque sa taille diminue à l’échelle du nanomètre (Figure 5). Alors, comment est le point de fusion d’un matériau à changement que sa taille diminue à l’échelle nanométrique?
dès 1871 (alors qu’il n’avait aucun moyen de voir réellement les nanoparticules), Sir William Thomson a montré que le point de Fusion change inversement avec le rayon d’une particule selon l’équation suivante, connue aujourd’hui sous le nom d’équation de Gibbs-Thomson4:
Si vous branchez des informations sur la taille et le point de fusion sont directement liés. Comme la taille du matériau diminue, le point de fusion diminuera également., Ce phénomène est communément appelé « dépression du point de fusion ».5
La Figure 6 montre la relation entre la taille des nanoparticules et le point de fusion de l’or selon L’équation de Gibbs-Thomson. Comme nous pouvons le voir, le point de fusion des nanoparticules d’or peut être encore plus bas que la température ambiante (~23-25 °C) lorsque la taille diminue à moins d’environ 1.,4 nm. À cette taille, il n’y a qu’environ 85 atomes présents dans chaque nanoparticule, et la plupart des atomes sont exposés à la surface.6 (en revanche, dans une particule de 4 nm, il y a près de 2000 atomes d’or, laissant la plupart des atomes encore à l’intérieur de la particule. Vous vous demandez comment nous savons cela? Voir notre billet de blog, » Comment Pouvez-vous calculer combien d’atomes sont dans une nanoparticule? »)
la différence entre un solide et un liquide est facile à voir pour les objets de taille normale: les liquides se déplacent, coulent et prennent la forme du conteneur dans lequel ils sont placés, mais les solides sont rigides et ne se baladent pas.,7 mais existe-t-il un moyen de visualiser directement les « nanoparticules liquides” que nous avons décrites ici?
microscopie électronique à Transmission (TEM) est très bien adapté à cette fin. Lorsque les faisceaux d’électrons frappent un échantillon, ils peuvent chauffer et faire fondre les nanoparticules. Les atomes d’un échantillon peuvent également faire diffracter des faisceaux d’électrons incidents dans de nombreuses directions spécifiques., En mesurant les angles et les intensités de ces faisceaux diffractés, les modèles de diffraction peuvent être créés et la position des atomes dans l’échantillon peut être déterminée. Les atomes sont généralement très ordonnés dans les solides, mais se déplacent dans les liquides, ce qui entraînera différents modèles de diffraction. Des motifs tachetés sont généralement observés pour les échantillons solides, tandis que des motifs halo sont généralement observés pour les échantillons liquides. Nous pouvons ensuite différencier l’état solide de l’état liquide en regardant leurs modèles de diffraction des électrons., (Pour en savoir plus sur la microscopie électronique, consultez notre article « la Nature sous un Microscope: explorer la beauté des nanosciences”.)
dès 1954, Takagi a d’abord utilisé cette stratégie pour tester la « suppression du point de fusion” (Figure 8). Il a choisi le plomb à étudier car il a un point de fusion relativement bas et peut être facilement transformé en un film de 5 nm d’épaisseur., Sous TEM, Takagi et son équipe ont vu que le point de fusion d’un film de plomb de 5 nm d’épaisseur a diminué de 327 °C à 170 °C. 9
bien que les résultats de Takagi aient été impressionnants, ils n’ont pas été en mesure de capturer la transition solide-liquide en temps réel. De nos jours, nous pouvons le faire grâce au développement de ce qu’on appelle in situ tem.10 lorsque des nanoparticules d’argent inférieures à 10 nm ont été placées sur une pointe de tungstène, les chercheurs ont observé un comportement « liquide” dans certaines circonstances., Les nanoparticules d’argent sont restées très cristallines à l’intérieur, ce qui suggère qu’elles n’ont pas fondu — si les particules avaient effectivement fondu, nous nous attendrions à ne voir aucun motif cristallin et un arrangement atomique complètement aléatoire (comme le motif de halo de la figure 8). Ce comportement « liquide » intéressant a été attribué aux atomes de la nanoparticule d’argent se déplaçant sous pression, donnant l’illusion qu’elle a fondu (Figure 9).,
tout cela nous aide à comprendre que, même si les gens pensaient que « l’or véritable ne craint pas le feu”, nous savons maintenant que les métaux à l’échelle nanométrique, y compris l’or, peuvent se comporter comme des liquides à température ambiante!,
D’une part, la dépression du point de fusion pourrait rendre certaines nanoparticules moins utiles, si elles ont besoin d’être à l’état solide pour fonctionner dans leurs applications technologiques. D’autre part, la dépression du point de fusion est également très utile pour les applications où les nanoparticules fonctionnent mieux à l’état liquide. Par exemple, nous pouvons facilement changer la forme de matériaux à l’échelle nanométrique à des températures beaucoup plus basses que leur point de fusion ne le suggère.
Par conséquent, la réponse à la question que nous avons commencée est: oui!, En théorie, l’or, ou tout autre matériau peut être considéré comme « fondu” grâce à l’incroyable propriétés des matériaux à l’échelle nanométrique.
ressources éducatives
- L’Association Internationale pour les propriétés de L’eau et de la vapeur: pourquoi l’eau se dilate-t-elle lorsqu’elle gèle?
- Journal of Chemical Education: la Science du chocolat: activités interactives sur les Transitions de Phase, L’émulsification et la nucléation par Amy Rowat et al., (peut nécessiter un abonnement)
- Université de Géorgie Extension: la Science derrière notre nourriture-en utilisant la dépression du point de congélation pour trouver le poids moléculaire
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