Gold ist eines der begehrtesten Metalle der Welt. Das wertvolle gelbe Metall ist selten in der Natur und wird seit der Antike als Medium der Währung und bei der Herstellung von Schmuck verwendet (Abbildung 1).1 Geglaubt, von Meteoren auf die Erde gebracht zu werden, Gold ist wirklich aus dieser Welt!2 Es gibt viele Gründe, warum Gold etwas Besonderes ist und warum es seinen Wert in unseren Gesellschaften bewahrt hat., Aber Gold könnte noch spezieller sein, als wir dachten.
Durch die Herstellung und Verarbeitung dieses glänzenden Metalls haben die Menschen allmählich ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften erlernt., „True Gold fears no fire“ ist eine alte chinesische Redewendung, die sich aus der Tatsache ergibt, dass Bulk-Gold bei Holzbränden (600-1000 °C) intakt und glänzend bleibt, während die meisten anderen Metalle (wie Kupfer, Zink und Nickel und ihre Legierungen) unter diesen Bedingungen schmelzen und/oder anlaufen würden. In der Chemie sagen wir, dass Gold eine ausgezeichnete chemische Stabilität gegen Oxidation und einen relativ hohen Schmelzpunkt (1064 °C) aufweist. Es stellt sich jedoch heraus, dass es dank der Nanowissenschaften Möglichkeiten gibt, das Verhalten von Gold bei verschiedenen Temperaturen unter Beibehaltung seiner anderen besonderen Eigenschaften zu ändern.,
Lassen Sie uns unsere täglichen Erfahrungen mit Wasser als Beispiel verwenden, um zu verstehen, was mit Gold los ist. Wir wissen, dass Eis (fest) immer bei einer festen Temperatur zu Wasser (Flüssigkeit) zu schmelzen scheint und Wasser dann immer bei einer festen Temperatur zu Dampf (Gas) zu verdampfen scheint. Diese Temperaturen werden als Schmelzpunkt bzw. Siedepunkt bezeichnet. Die Schmelz-und Siedepunkte können je nach lokalem Druck unterschiedlich sein. Aus diesem Grund haben Ihre Koch-oder Backrezepte möglicherweise unterschiedliche Anweisungen für große Höhen, die einen niedrigeren Luftdruck als niedrige Höhen haben.,
Um den Siedepunkt zu manipulieren, müssen wir aber keine Berge hoch-und runterklettern. Wir können dies leicht tun, indem wir den lokalen Druck ändern, so funktioniert ein Schnellkochtopf: Durch Erhöhen des Drucks steigt der Siedepunkt von Wasser auf eine höhere Temperatur an, was bedeutet, dass das Wasser heißer werden kann, ohne zu verdampfen, wodurch das Essen schneller kocht (Abbildung 2).
Um zu verstehen, wie ein Schnellkochtopf den Druck im Inneren erhöht, müssen wir uns daran erinnern, was mit den Molekülen einer Flüssigkeit passiert, wenn sie sich erwärmt: Sie beginnen sich weiter auseinander zu bewegen! Schmelzpunkt ist jedoch viel weniger empfindlich gegenüber lokalen Druckänderungen. Dies liegt daran, dass im Vergleich zu Flüssigkeit, die zu Gas verdampft, das Volumen im Allgemeinen nicht zu stark ansteigt, wenn Feststoffe zu Flüssigkeiten schmelzen. (Randnotiz: Wasser ist insofern ungewöhnlich, als sein Volumen tatsächlich größer wird, wenn es zu einem Feststoff gefriert – hat jemals eine Dose Soda im Gefrierschrank explodiert?, – aber das ist ein Thema für einen anderen Beitrag!)
Der Hauptpunkt ist, dass es nicht praktikabel ist, den Schmelzpunkt einer Substanz durch Ändern des lokalen Drucks zu manipulieren – Sie müssten eine drastische Druckänderung vornehmen, um sogar eine kleine Änderung zu erhalten Schmelzpunkt (Abbildung 3).
Aber gibt es andere Möglichkeiten, den Schmelzpunkt eines Materials zu ändern?, Und zurück zum Hauptthema dieses Beitrags, können wir Gold bei Raumtemperatur schmelzen?
In einem früheren Blogbeitrag, „Nanopartikel sind alle um uns herum“, diskutierten wir, dass, wie die Größe eines Materials auf nanoskalige abnimmt, viele physikalische und chemische Eigenschaften auch ändern. Dies ist hauptsächlich auf den „Oberflächeneffekt“ oder das erhöhte Verhältnis von Oberfläche zu Volumen zurückzuführen (Abbildung 4).3
Die Farbe von Gold ändert sich beispielsweise von glänzendem Gelb zu Dunkelrot, wenn seine Größe auf den Nanometerbereich abnimmt (Abbildung 5). Wie verändert sich also der Schmelzpunkt eines Materials, wenn seine Größe auf den Nanobereich abnimmt?
Bereits 1871 (als er keine Möglichkeit hatte, Nanopartikel tatsächlich zu sehen) zeigte Sir William Thomson, dass sich der Schmelzpunkt gemäß der folgenden Gleichung, die heute als Gibbs-Thomson-Gleichung4:
bekannt ist, umgekehrt mit dem Radius eines Partikels ändert Wenn Sie Informationen über die Partikelgröße und andere Eigenschaften des Materials eingeben, zeigt diese Gleichung, dass die Größe und der Schmelzpunkt eines Materials in direktem Zusammenhang stehen. Wenn die Größe des Materials abnimmt, nimmt auch der Schmelzpunkt ab., Dieses Phänomen wird allgemein als „Schmelzpunktdepression“bezeichnet.5
Abbildung 6 zeigt die Beziehung zwischen Nanopartikel-Größe und Schmelzpunkt für gold nach dem Gibbs-Thomson-Gleichung. Wie wir sehen können, kann der Schmelzpunkt von Goldnanopartikeln sogar niedriger sein als die Raumtemperatur (~23-25 °C), wenn die Größe auf weniger als etwa 1 abnimmt.,4 nm. Bei dieser Größe sind in jedem Nanopartikel nur etwa 85 Atome vorhanden, und die meisten Atome sind auf der Oberfläche freigelegt.6 (Im Gegensatz dazu gibt es in einem 4-nm-Teilchen fast 2000 Goldatome, wobei die meisten Atome immer noch im Inneren des Teilchens verbleiben. Sie fragen sich, wie wir das wissen? Siehe unseren Blogbeitrag „Wie können Sie berechnen, wie viele Atome sich in einem Nanopartikel befinden?“)
Der Unterschied zwischen einem Feststoff und einer Flüssigkeit ist für normalgroße Objekte leicht zu erkennen: Flüssigkeiten bewegen sich, fließen und nehmen die Form eines Containters an, in den sie gesteckt werden, aber Feststoffe sind starr und rutschen nicht herum.,7 Aber gibt es eine Möglichkeit, die „flüssigen Nanopartikel“, die wir hier beschrieben haben, direkt zu visualisieren?
Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) ist für diesen Zweck sehr gut geeignet. Wenn Elektronenstrahlen auf eine Probe treffen, können sie die Nanopartikel erwärmen und schmelzen. Atome in einer Probe können auch dazu führen, dass einfallende Elektronenstrahlen in viele spezifische Richtungen streuen., Durch Messen der Winkel und Intensitäten dieser gebeugten Strahlen können Beugungsmuster erzeugt und die Position der Atome in der Probe bestimmt werden. Atome sind im Allgemeinen in Festkörpern hoch geordnet, bewegen sich aber in Flüssigkeiten, was zu unterschiedlichen Beugungsmustern führt. Fleckige Muster werden normalerweise für feste Proben beobachtet, während Halo-Muster normalerweise für flüssige Proben beobachtet werden. Wir können dann den festen Zustand vom flüssigen Zustand unterscheiden, indem wir ihre Elektronenbeugungsmuster betrachten., (Weitere Informationen zur Elektronenmikroskopie finden Sie in unserem Beitrag „Nature Under a Microscope: Exploring the Beauty of Nanoscience“.)
Bereits 1954 verwendete Takagi diese Strategie, um die „Schmelzpunktunterdrückung“ zu testen (Abbildung 8). Er wählte Blei zu studieren, weil es einen relativ niedrigen Schmelzpunkt hat, und kann leicht in einen 5 nm dicken Film gemacht werden., Unter TEM stellten Takagi und sein Team fest, dass der Schmelzpunkt eines 5 nm dicken Bleifilms von den üblichen 327 °C auf 170 °C abnahm.9
Obwohl Takagis Ergebnisse beeindruckend waren, konnten sie den Übergang von Fest zu flüssig nicht in Echtzeit erfassen. Heutzutage können wir dies dank der Entwicklung des sogenannten in situ TEM tun.10 Wenn Silbernanopartikel kleiner als 10 nm auf eine Wolframspitze gelegt wurden, beobachteten die Forscher unter bestimmten Umständen ein“ flüssigkeitsähnliches “ Verhalten., Die Silbernanopartikel blieben im Inneren hochkristallin, was darauf hindeutet, dass sie nicht schmilzten — wenn die Partikel tatsächlich geschmolzen wären, würden wir keine kristallinen Muster und eine vollständig randomisierte atomare Anordnung erwarten (wie das Halomuster aus Abbildung 8). Dieses interessante „flüssigkeitsähnliche“ Verhalten wurde den Atomen auf dem Silbernanopartikel zugeschrieben, die sich unter Druck bewegen und die Illusion erwecken, dass es geschmolzen ist (Abbildung 9).,
All dies hilft uns zu verstehen, dass wir jetzt wissen, dass sich nanoskalige Metalle, einschließlich Gold, bei Raumtemperatur wie Flüssigkeiten verhalten können, obwohl die Leute früher dachten, dass „wahres Gold kein Feuer fürchtet“!,
Einerseits könnte eine Schmelzpunktdepression einige Nanopartikel weniger nützlich machen, wenn sie sich in einem festen Zustand befinden müssen, um in ihren technologischen Anwendungen zu funktionieren. Andererseits ist die Schmelzpunktdepression auch sehr hilfreich für Anwendungen, bei denen Nanopartikel im flüssigen Zustand besser funktionieren. Zum Beispiel können wir die Form von nanoskaligen Materialien bei viel niedrigeren Temperaturen leicht ändern, als ihr Schmelzpunkt vermuten lässt.
Daher lautet die Antwort auf die Frage, mit der wir begonnen haben: Ja!, Theoretisch kann Gold oder ein anderes Material dank der erstaunlichen Eigenschaften von Materialien im Nanobereich als „geschmolzen“ betrachtet werden.
BILDUNGSRESSOURCEN
- Die Internationale Vereinigung für die Eigenschaften von Wasser und Dampf: Warum dehnt sich Wasser aus, wenn es gefriert?
- Journal of Chemical Education: Die Wissenschaft von der Schokolade: Interaktive Aktivitäten auf Phasenübergänge, Emulgieren, und die Keimbildung von Amy Rowat et al., (kann ein Abonnement erfordern)
- Erweiterung der Universität von Georgia: Die Wissenschaft hinter unserem Essen – Verwenden von Gefrierpunktdepressionen, um das Molekulargewicht zu finden
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