L’oro è uno dei metalli più desiderati al mondo. Il prezioso metallo giallo è raro in natura ed è stato utilizzato come mezzo di valuta e nella fabbricazione di gioielli fin dai tempi antichi (Figura 1).1 Creduto di essere portato sulla Terra da meteore, l’oro è veramente fuori di questo mondo!2 Ci sono molte ragioni per cui l’oro è speciale e perché ha mantenuto il suo valore nelle nostre società., Ma l’oro potrebbe essere ancora più speciale di quanto pensassimo.
Con la lavorazione e la lavorazione di questo metallo lucido, le persone hanno gradualmente imparato le sue proprietà fisiche e chimiche., “True gold fears no fire” è un vecchio idioma cinese, che deriva dal fatto che l’oro sfuso rimane intatto e lucido quando viene posto sopra fuochi a legna (600-1000 °C), mentre la maggior parte degli altri metalli (come rame, zinco e nichel e le loro leghe) si scioglierebbe e/o si appannerebbe in quelle condizioni. In termini chimici, diciamo che l’oro ha un’eccellente stabilità chimica contro l’ossidazione e un punto di fusione relativamente alto (1064 °C). Ma si scopre che, grazie alla nanoscienza, ci sono modi per cambiare il modo in cui l’oro si comporta a temperature diverse preservando le sue altre caratteristiche speciali.,
Usiamo la nostra esperienza quotidiana con l’acqua come esempio per aiutare a capire cosa sta succedendo con l’oro. Sappiamo che il ghiaccio (solido) sembra sciogliersi sempre in acqua (liquido) a una temperatura fissa, e quindi l’acqua sembra evaporare sempre in vapore (gas) a una temperatura fissa. Queste temperature sono indicate come punto di fusione e punto di ebollizione, rispettivamente. I punti di fusione e di ebollizione possono essere diversi a seconda della pressione locale. Questo è il motivo per cui le tue ricette di cottura o cottura potrebbero avere istruzioni diverse per le alte altitudini, che hanno una pressione dell’aria inferiore rispetto alle basse altitudini.,
Non dobbiamo scalare su e giù per le montagne per manipolare il punto di ebollizione, però. Possiamo farlo facilmente cambiando la pressione locale, che è come funziona una pentola a pressione: aumentando la pressione, il punto di ebollizione dell’acqua aumenta a una temperatura più elevata, il che significa che l’acqua può diventare più calda senza evaporare, il che rende il cibo più veloce (Figura 2).
Per capire come una pentola a pressione solleva la pressione all’interno, dobbiamo ricordare cosa succede alle molecole di un liquido quando si riscalda: iniziano a spostarsi più lontano! Il punto di fusione, tuttavia, è molto meno sensibile al cambiamento di pressione locale. Questo perché rispetto al liquido che evapora in gas, il volume generalmente non aumenta troppo quando i solidi si sciolgono in liquidi. (Nota a margine: l’acqua è insolita in quanto il suo volume diventa effettivamente più grande quando si congela in un solido – hai mai fatto esplodere una lattina di soda nel congelatore?, – ma questo è un argomento per un altro post!)
Il punto principale è che non è pratico manipolare il punto di fusione di una sostanza cambiando la pressione locale – dovresti fare un drastico cambiamento di pressione per ottenere anche un piccolo cambiamento nel punto di fusione (Figura 3).
Ma ci sono altri modi per alterare il punto di fusione di un materiale?, E tornando all’argomento principale di questo post, possiamo fondere l’oro a temperatura ambiente?
In un precedente post sul blog, “Le nanoparticelle sono tutte intorno a noi”, abbiamo discusso che quando la dimensione di un materiale diminuisce su scala nanometrica, cambiano anche molte proprietà fisiche e chimiche. Ciò è dovuto principalmente all ‘”effetto superficie” o all’aumento del rapporto superficie / volume (Figura 4).3
Il colore dell’oro, ad esempio, cambia da giallo lucido a rosso scuro quando le sue dimensioni diminuiscono nell’intervallo nanometrico (Figura 5). Quindi, come cambia il punto di fusione di un materiale quando le sue dimensioni diminuiscono su scala nanometrica?
già dal 1871 (quando ha avuto modo di vedere nanoparticelle), Sir William Thomson ha mostrato che il punto di fusione modifiche inversamente con il raggio di una particella, secondo la seguente equazione, oggi conosciuta come la Gibbs-Thomson equation4:
Se si collega informazioni circa il materiale, la dimensione delle particelle e altre caratteristiche, questa equazione mostra che un materiale, dimensione e punto di fusione sono direttamente correlati. Man mano che la dimensione del materiale diminuisce, anche il punto di fusione diminuirà., Questo fenomeno è comunemente noto come”depressione del punto di fusione”.5
La figura 6 mostra la relazione tra la dimensione delle nanoparticelle e il punto di fusione dell’oro secondo l’equazione di Gibbs-Thomson. Come possiamo vedere, il punto di fusione delle nanoparticelle d’oro può essere anche inferiore alla temperatura ambiente (~23-25 °C) quando la dimensione diminuisce a meno di circa 1.,4 nm. A quella dimensione, ci sono solo circa 85 atomi presenti in ogni nanoparticella, e la maggior parte degli atomi sono esposti sulla superficie.6 (Al contrario, in una particella di 4 nm, ci sono quasi 2000 atomi d’oro, lasciando la maggior parte degli atomi ancora all’interno della particella. Ti chiedi come lo sappiamo? Vedere il nostro post sul blog, ” Come si può calcolare quanti atomi sono in una nanoparticella?”)
La differenza tra un solido e un liquido è facile da vedere per oggetti di dimensioni normali: i liquidi si muovono, fluiscono e prendono la forma di qualsiasi contenitore in cui sono inseriti, ma i solidi sono rigidi e non si muovono.,7 Ma c’è un modo per visualizzare direttamente le “nanoparticelle liquide” che abbiamo descritto qui?
microscopia elettronica a Trasmissione (TEM) è molto adatto per questo scopo. Quando i fasci di elettroni colpiscono un campione, possono riscaldarsi e fondere le nanoparticelle. Gli atomi in un campione possono anche causare la diffrazione dei fasci di elettroni incidenti in molte direzioni specifiche., Misurando gli angoli e le intensità di questi fasci diffratti, è possibile creare modelli di diffrazione e determinare la posizione degli atomi nel campione. Gli atomi sono generalmente altamente ordinati nei solidi ma si muovono nei liquidi, il che si tradurrà in diversi modelli di diffrazione. I modelli spotty sono osservati solitamente per i campioni solidi mentre i modelli di alone sono osservati solitamente per i campioni liquidi. Possiamo quindi differenziare lo stato solido dallo stato liquido osservando i loro modelli di diffrazione degli elettroni., (Per ulteriori informazioni sulla microscopia elettronica, vedere il nostro post “Nature Under a Microscope: Exploring the Beauty of Nanoscience””)
Già nel 1954, Takagi usò per la prima volta questa strategia per testare la “soppressione del punto di fusione” (Figura 8). Ha scelto piombo per studiare perché ha un punto di fusione relativamente basso, e può essere facilmente trasformato in un film di 5 nm di spessore., Sotto TEM, Takagi e il suo team hanno visto che il punto di fusione di un film di piombo spesso 5 nm è diminuito dai soliti 327 °C a 170 °C. 9
Sebbene i risultati di Takagi siano stati impressionanti, non sono stati in grado di catturare la transizione da solido a liquido in tempo reale. Oggi possiamo farlo grazie allo sviluppo di ciò che viene chiamato in situ TEM.10 Quando nanoparticelle d’argento più piccole di 10 nm sono state posizionate su una punta di tungsteno, i ricercatori hanno osservato un comportamento “simile a liquido” in determinate circostanze., Le nanoparticelle d’argento sono rimaste altamente cristalline all’interno, suggerendo che non si sono sciolte — se le particelle si fossero effettivamente sciolte, ci aspetteremmo di vedere nessun modello cristallino e una disposizione atomica completamente randomizzata (come il modello di alone di figura 8). Questo interessante comportamento “simile a liquido” è stato attribuito agli atomi sulla nanoparticella d’argento che si muovono sotto pressione, dando l’illusione che sia fuso (Figura 9).,
Tutto questo ci aiuta a capire che, anche se la gente pensava che “il vero oro non teme il fuoco”, ora sappiamo che i metalli su scala nanometrica, incluso l’oro, possono comportarsi come liquidi a temperatura ambiente!,
Da un lato, la depressione del punto di fusione potrebbe rendere alcune nanoparticelle meno utili, se hanno bisogno di essere allo stato solido per funzionare nelle loro applicazioni tecnologiche. D’altra parte, la depressione del punto di fusione è anche molto utile per le applicazioni in cui le nanoparticelle funzionano meglio allo stato liquido. Ad esempio, possiamo facilmente cambiare la forma dei materiali nanoscalati a temperature molto più basse di quanto suggerirebbe il loro punto di fusione.
Pertanto, la risposta alla domanda con cui abbiamo iniziato è: Sì!, In teoria, l’oro, o qualsiasi altro materiale, può essere considerato come “fuso” grazie alle sorprendenti proprietà dei materiali su scala nanometrica.
RISORSE EDUCATIVE
- L’Associazione Internazionale per le proprietà dell’acqua e del vapore: perché l’acqua si espande quando si congela?
- Journal of Chemical Education: La scienza del cioccolato: Attività interattive sulle transizioni di fase, emulsificazione e nucleazione di Amy Rowat et al., (può richiedere l’abbonamento)
- University of Georgia Extension: La scienza dietro il nostro cibo-Utilizzando la depressione punto di congelamento per trovare peso molecolare
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