Gull er en av de mest høyt ønsket metaller i verden. Den dyrebare gule metallet er sjeldne i naturen og har vært brukt som et medium for valuta og i å lage smykker siden antikken (Figur 1).1 Antas å være brakt til Jorden av meteorer, gull er virkelig ute av denne verden!2 Det er mange grunner til at gull er spesiell, og hvorfor det har beholdt sin verdi i vårt samfunn., Men gull kan være enda mer spesielle enn vi trodde.
Ved laging og behandlingen av denne skinnende metall, folk har etter hvert lært sin fysiske og kjemiske egenskaper., «Ekte gull frykter ingen ild» er en gammel Kinesisk tenkemåte, som stammer fra det faktum at bulk gull forblir intakt og skinnende når den plasseres over tre branner (600-1000 °C), mens de fleste andre metaller (f.eks. kobber, sink og nikkel og deres legeringer) ville smelte og/eller anløpe i disse forholdene. I kjemi form, sier vi at gull har utmerket kjemisk stabilitet mot oksidasjon og et relativt høyt smeltepunkt (1064 °C). Men det viser seg at, takket være nanoscience, det finnes måter å endre hvordan gold oppfører seg ved ulike temperaturer og samtidig bevare sin andre spesielle egenskaper.,
La oss bruke vår daglige erfaring med vann som et eksempel for å hjelpe deg med å forstå hva som skjer med gull. Vi vet at is (fast) ser ut til å alltid smelte til vann (flytende) ved en bestemt temperatur, og deretter vannet ser ut til å alltid fordampe til steam (gass) ved en bestemt temperatur. Slike temperaturer er referert til som smeltepunkt og kokepunkt, henholdsvis. Den smelter og koker poeng kan være forskjellige avhengig av lokale press. Dette er grunnen til matlaging eller baking oppskrifter kan ha forskjellige instruksjoner for store høyder, som har lavere lufttrykk enn lave høyder.,
Vi trenger ikke å klatre opp og ned fjellet å manipulere kokepunkt, skjønt. Vi kan enkelt gjøre dette ved å endre den lokale trykket, som er hvordan en trykkokere fungerer: ved å øke trykket, kokepunktet for vann øker til et høyere temperatur, noe som betyr at vannet kan bli varmere uten å fordampe, som gjør at maten koker raskere (Figur 2).
for Å forstå hvordan en trykkokere øker trykket inne, men vi må huske på hva som skjer til molekylene i en væske når det varmes opp: de begynner å bevege seg lenger fra hverandre! Smeltepunkt, derimot, er mye mindre følsom for lokale trykk endre. Dette er fordi sammenlignet med væske fordamper til gass, volum generelt ikke øker for mye når tørrstoff smelte inn i væsker. (Side note: vann er uvanlig i at volumet faktisk blir større når det fryser til en solid noen gang har en boks med brus eksplodere i fryseren?, – men det er et emne for en annen post!)
Den viktigste poeng er at det ikke er praktisk å manipulere smeltepunkt av et stoff ved å endre den lokale press – ville du ha for å gjøre en drastisk endring i press for å få selv en liten endring i smeltepunkt (Figur 3).
Men, er det andre måter å endre smeltepunkt av et materiale?, Og å komme tilbake til hovedtemaet i dette innlegget, kan vi smelte gull i romtemperatur?
I et tidligere blogginnlegg, «Nanopartikler Er Alle Rundt Oss,» vi har diskutert det som størrelsen av et materiale som synker til nanoskala, mange fysiske og kjemiske egenskaper også endre. Dette er hovedsakelig på grunn av «surface effect», eller økt areal-til-volum-forhold (Figur 4).3
farge gold, for eksempel endringer fra skinnende gul til mørk rød når størrelsen reduseres til nanometer skala (Figur 5). Så hvordan gjør smeltepunktet for en vesentlig endring som sin størrelse reduseres til nanoskala?
så tidlig Som i 1871 (når han hadde ingen mulighet til faktisk å se nanopartikler), Sir William Thomson viste at smeltepunkt endringer omvendt med radius av en partikkel i henhold til følgende likning, i dag kjent som Gibbs-Thomson equation4:
Hvis du kobler til informasjon om materialet er partikkel størrelse og andre egenskaper, denne ligningen viser at en vesentlig størrelse og smeltepunkt er direkte relatert. Størrelsen på materialet synker, smeltepunkt vil også reduseres., Dette fenomenet er kjent som «smeltepunkt depresjon».5
Figur 6 viser forholdet mellom nanopartikkel størrelse og smeltepunkt for gull i henhold til Gibbs-Thomson ligningen. Som vi kan se, smeltepunkt av gull nanopartikler kan være enda lavere enn romtemperatur (~23-25 °C) når størrelsen reduseres til mindre enn 1.,4 nm. På den størrelsen, det er bare ca 85 atomer som finnes i hver og en nanopartikkel, og de fleste av atomer som er synlige på overflaten.6 (I motsetning til i en 4 nm partikkel, det er nesten 2000 gull atomer, forlater de fleste atomer fortsatt på innsiden av partikkelen. Lurer på hvordan vet vi dette? Se våre blogginnlegg, «Hvordan kan du beregne hvor mange atomer er i en nanopartikkel?»)
forskjellen mellom en god og en væske er lett å se for normal størrelse objekter: væsker flytte, flyt og ta form av hva containter at de er satt i, men faste stoffer er stive og ikke slosh rundt.,7 Men er det en måte å direkte visualisere «flytende nanopartikler» vi har beskrevet her?
Transmisjon elektron mikroskopi (TEM) er svært godt egnet for dette formålet. Når elektronet stråler treffer et eksempel, de kan varme opp og smelte nanopartikler. Atomer i en prøve kan også forårsake hendelsen electron bjelker for å diffract i mange spesifikke retninger., Ved å måle vinkler og intensitet av disse diffracted bjelker, diffraksjon mønstre kan være laget av og plasseringen av atomene i prøven kan være bestemt. Atomer er generelt svært bestilt i faste stoffer, men flytte rundt i væsker, noe som vil resultere i forskjellige diffraksjon mønstre. Spotty mønstre er vanligvis observert for solid prøver mens halo mønstre er vanligvis observert for flytende prøver. Vi kan da skille solid state-fra flytende form ved å se på deres elektron diffraksjon mønstre., (For mer om elektron mikroskopi, se vår innlegget «Naturens Under et Mikroskop: å Utforske Skjønnheten i Nanoscience».)
så tidlig Som i 1954, Takagi første som brukte denne strategien for å teste ut «smeltepunkt undertrykkelse» (Figur 8). Han valgte føre til studiet fordi det har et relativt lavt smeltepunkt, og kan lett gjøres om til en 5 nm-tykk film., Under TEM, Takagi og hans team så at smeltepunktet av en 5 nm-tykke føre film redusert fra vanlige 327 °C til 170 °C. 9
Selv om Takagi resultatene var imponerende, var de ikke i stand til å fange den fast til flytende overgang i sanntid. I dag kan vi gjøre dette takket være utviklingen av det som kalles in situ TEM.10 Når sølv nanopartikler, er mindre enn 10 nm ble plassert på en tungsten tips, forskerne observerte en «flytende-som» atferd under visse omstendigheter., Sølv nanopartikler bodde svært krystallinsk i interiøret, noe som tyder på at de ikke smelter — hvis partiklene faktisk hadde smeltet, ville vi forvente å se noen krystallinsk mønstre og et fullstendig randomisert atomic arrangement (som halo mønsteret fra figur 8). Dette er interessant «væske-lignende» oppførsel ble tilskrevet atomer på sølv nanopartikkel flytte rundt under press, noe som gir en illusjon av at det er smeltet (Figur 9).,
Alt dette hjelper oss til å forstå at selv om folk pleide å tenke at «ekte gull frykter ingen brann,» vi vet nå at nanoskala metaller, inkludert gull, kan oppføre seg som væske ved romtemperatur!,
På den ene siden, smeltepunkt depresjon kan gjøre noen nanopartikler mindre nyttig, hvis de trenger å være i en solid state-til å fungere i deres teknologiske anvendelser. På den annen side, smeltepunkt depresjon er også svært nyttig for applikasjoner hvor nanopartikler til å fungere bedre i flytende tilstand. For eksempel, kan vi lett endre formen på nanoscaled materialet på mye lavere temperatur enn det som er deres smeltepunkt skulle tilsi.
Derfor, er svaret på spørsmålet vi startet med er: Ja!, I teorien, gull, eller annet materiale, kan anses som «smeltet» takk til de fantastiske egenskapene til materialer på nanoskala.
PEDAGOGISKE RESSURSER
- International Association for Egenskapene til Vann og Damp: Hvorfor gjør at vann utvider seg når det fryser?
- Journal of Chemical Utdanning: Vitenskapen om Sjokolade: Interaktive Aktiviteter på Fase Overganger, Emulgering, og Nucleation av Amy Rowat et al., (krever abonnement)
- University of Georgia Extension: Vitenskapen Bak våre Mat – ved Hjelp av Fryse-Punkt Depresjon for å Finne molekylvekt
Leave a Reply