az arany a világ egyik legkeresettebb fémje. A nemessárga fém ritka a természetben, és már használják, mint egy közepes valuta, valamint a gyártás ékszerek ősidők óta (1.ábra).1 Úgy gondolják, hogy meteorok hozták a földre, az arany valóban ki van ebből a világból!2 sok oka van annak, hogy az arany különleges, és miért tartotta fenn értékét társadalmainkban., De az arany talán még különlegesebb, mint gondoltuk.
ennek a fényes fémnek a gyártásával és feldolgozásával az emberek fokozatosan megtanulták fizikai és kémiai tulajdonságait., A “True gold fears no fire” egy régi kínai kifejezés, amely abból a tényből ered, hogy az ömlesztett arany érintetlenül és fényesen marad, amikor a fa tüzek fölé helyezik (600-1000 °C), míg a legtöbb más fém (például réz, cink, nikkel és ötvözeteik) megolvad és/vagy elhomályosodik ilyen körülmények között. Kémiai szempontból azt mondjuk, hogy az arany kiváló kémiai stabilitással rendelkezik az oxidációval szemben, viszonylag magas olvadáspontja (1064 °C). De kiderül, hogy a nanotudománynak köszönhetően meg lehet változtatni, hogyan viselkedik az arany különböző hőmérsékleteken, miközben megőrzi más különleges tulajdonságait.,
használjuk példaként a vízzel kapcsolatos napi tapasztalatainkat, hogy megértsük, mi történik az arannyal. Tudjuk, hogy a jég (szilárd) úgy tűnik, hogy mindig vízben (folyadékban) olvad rögzített hőmérsékleten, majd úgy tűnik, hogy a víz mindig gőzre (gázra) párolog rögzített hőmérsékleten. Ezeket a hőmérsékleteket olvadáspontnak, illetve forráspontnak nevezik. Az olvadáspont és a forráspont a helyi nyomástól függően eltérő lehet. Ez az oka annak, hogy a főzési vagy sütési receptek eltérő utasításokat tartalmazhatnak a nagy magasságokra, amelyek alacsonyabb légnyomással rendelkeznek, mint az alacsony tengerszint feletti magasság.,
nem kell felmásznunk a hegyekre, hogy manipuláljuk a forráspontot. Ezt könnyen megtehetjük a helyi nyomás megváltoztatásával, így működik a nyomástartó edény: a nyomás növelésével a víz forráspontja magasabb hőmérsékletre emelkedik, ami azt jelenti, hogy a víz elpárologtatás nélkül forróbb lehet, ami az ételt gyorsabban szakácsolja (2.ábra).
ahhoz, hogy megértsük, hogyan emeli a nyomástartó edény a belső nyomást, emlékeznünk kell arra, hogy mi történik a folyadék molekuláival, amikor felmelegszik: távolabb mozognak egymástól! Az olvadáspont azonban sokkal kevésbé érzékeny a helyi nyomásváltozásra. Ennek oka az, hogy a gázzal párolgó folyadékhoz képest a térfogat általában nem növekszik túl sokat, amikor a szilárd anyagok folyadékokká olvadnak. (Oldalsó megjegyzés: a víz szokatlan, mivel a térfogata valójában nagyobb lesz, ha szilárdra fagy-valaha is felrobbanhat egy doboz szóda a fagyasztóban?, – de ez egy másik Hozzászólás témája!)
a lényeg az, hogy nem célszerű manipulálni az anyag olvadáspontját a helyi nyomás megváltoztatásával – drasztikus nyomásváltozást kell végrehajtania, hogy még egy kis változást érjen el az olvadáspontban (3.ábra).
de van-e más mód egy anyag olvadáspontjának megváltoztatására?, Visszatérve a bejegyzés fő témájához, megolvaszthatjuk-e az aranyat szobahőmérsékleten?
egy korábbi blogbejegyzésben,” a nanorészecskék körülöttünk vannak”, megbeszéltük, hogy mivel egy anyag mérete nanoméretre csökken, sok fizikai és kémiai tulajdonság is megváltozik. Ez elsősorban a “felületi hatás” vagy a megnövekedett felület-térfogat aránynak köszönhető (4.ábra).3
az arany színe például fényes sárgáról sötétvörösre változik, amikor mérete a nanométeres tartományra csökken (5.ábra). Tehát hogyan változik az anyag olvadáspontja, mivel mérete a nanoméretre csökken?
olyan korán, Mint 1871-ben (amikor nem volt így, hogy látta nanorészecskék), Sir William Thomson azt mutatta, hogy az olvadáspont változások fordítottan arányos a sugara egy részecske szerint a következő egyenlet, a ma ismert, mint a Gibbs-Thomson equation4:
Ha csatlakoztassa információ az anyag szemcseméret, illetve egyéb jellemzők ez az egyenlet azt mutatja, hogy egy anyag mérete olvadáspont közvetlenül kapcsolódnak. Mivel az anyag mérete csökken, az olvadáspont is csökken., Ezt a jelenséget általában “olvadáspont-depressziónak”nevezik.5
6.ábra az arany Nanorészecske mérete és olvadáspontja közötti összefüggést mutatja A Gibbs-Thomson-egyenlet szerint. Amint láthatjuk, az arany nanorészecskék olvadáspontja még alacsonyabb lehet, mint a szobahőmérséklet (~23-25 °C), ha a méret kevesebb, mint 1-re csökken.,4 nm. Ebben a méretben csak körülbelül 85 atom van jelen minden nanorészecskében, és az atomok nagy része a felszínen van kitéve.6 (ezzel szemben egy 4 nm-es részecskében közel 2000 arany atom van, így a legtöbb atom még mindig a részecske belsejében marad. Vajon honnan tudjuk ezt? Lásd a blogbejegyzést, ” hogyan lehet kiszámítani, hogy hány atom van egy nanorészecskében?”)
a szilárd anyag és a folyadék közötti különbség a normál méretű tárgyak esetében könnyen látható: a folyadékok mozognak, áramlanak, és bármilyen tartóelemet formálnak, amelyet behelyeznek, de a szilárd anyagok merevek, és nem csúsznak körül.,7 de van-e mód arra, hogy közvetlenül megjelenítsük az itt leírt “folyékony nanorészecskéket”?
átviteli elektronmikroszkópia (TEM) nagyon alkalmas erre a célra. Amikor az elektronsugarak eltalálnak egy mintát, felmelegedhetnek és megolvaszthatják a nanorészecskéket. A mintában lévő atomok a beeső elektronsugarakat is számos meghatározott irányba diffraktálhatják., Ezen diffrakciós gerendák szögeinek és intenzitásának mérésével diffrakciós minták hozhatók létre, valamint meghatározható az atomok helyzete a mintában. Az atomok általában erősen rendezettek szilárd anyagokban, de folyadékokban mozognak, ami különböző diffrakciós mintákat eredményez. Foltos minták általában megfigyelhető szilárd minták, míg a halo minták általában megfigyelhető folyékony minták. Ezután megkülönböztethetjük a szilárd állapotot a folyékony állapottól azáltal, hogy megnézzük az elektron diffrakciós mintáikat., (További információ az elektronmikroszkópiáról, lásd a “természet mikroszkóp alatt: a nanotudomány szépségének feltárása”című posztunkat.)
már 1954-ben Takagi először ezt a stratégiát használta az “olvadáspont-elnyomás” tesztelésére (8.ábra). Azért választotta az ólmot a tanulmányozáshoz, mert viszonylag alacsony olvadáspontja van, és könnyen elkészíthető 5 nm vastag filmré., Tem alatt Takagi és csapata látta, hogy az 5 nm vastag ólomfilm olvadáspontja a szokásos 327 °C-ról 170 °C-ra csökkent.9
bár Takagi eredményei lenyűgözőek voltak, nem tudták valós időben rögzíteni a szilárd-folyadék átmenetet. Manapság ezt megtehetjük az in situ TEM fejlesztésének köszönhetően.10 amikor a 10 nm-nél kisebb ezüst nanorészecskéket egy volfrámcsúcsra helyezték, a kutatók bizonyos körülmények között “folyadékszerű” viselkedést figyeltek meg., Az ezüst nanorészecskék maradt fájlokat, kristályos, a belső, ami arra utal, hogy nem olvad, — ha a részecskék valóban elolvadt, akkor szeretnénk látni, nem kristályos minták, valamint egy teljesen randomizált elrendeződését (mint a halo, a mintát a 8.ábra). Ez az érdekes “folyadékszerű” viselkedés az ezüst Nanorészecske atomjainak tulajdonítható, amelyek nyomás alatt mozognak, ami azt az illúziót kelti, hogy megolvadt (9.ábra).,
mindez segít megérteni, hogy annak ellenére, hogy az emberek azt hitték, hogy “az igazi arany nem fél a tűztől”, most már tudjuk, hogy a nanoméretű fémek, beleértve az aranyat is, úgy viselkedhetnek, mint folyadékok szobahőmérsékleten!,
egyrészt az olvadáspont-depresszió néhány nanorészecskét kevésbé hasznos lehet, ha szilárd állapotban kell lenniük ahhoz, hogy technológiai alkalmazásuk során működjenek. Másrészt az olvadáspont-depresszió nagyon hasznos olyan alkalmazásokhoz is, ahol a nanorészecskék jobban működnek folyékony állapotban. Például könnyen megváltoztathatjuk a nanoméretű anyagok alakját sokkal alacsonyabb hőmérsékleten, mint az olvadáspontjuk azt sugallná.
ezért a válasz arra a kérdésre, amellyel elkezdtük: Igen!, Elméletileg az arany vagy bármely más anyag “megolvadtnak” tekinthető a nanoméretű anyagok csodálatos tulajdonságainak köszönhetően.
oktatási források
- A Víz és a gőz tulajdonságainak Nemzetközi Szövetsége: miért bővül a víz, amikor lefagy?
- Journal of Chemical Education: the Science of Chocolate: Interactive Activities on Phase Transitions, Emulgeating, and Nucleation by Amy Rowat et al., (lehet, hogy előfizetésre van szükség)
- Grúziai Egyetem kiterjesztés: az élelmiszerünk mögötti tudomány-fagyasztási pont-depresszió segítségével, hogy molekulatömeget találjon
Leave a Reply