goud is een van de meest gewenste metalen ter wereld. Het kostbare gele metaal is zeldzaam van aard en wordt al sinds de oudheid gebruikt als betaalmiddel en bij het maken van sieraden (figuur 1).1 geloofd te worden naar de aarde gebracht door meteoren, goud is echt buiten deze wereld!2 Er zijn een heleboel redenen dat goud speciaal is en waarom het zijn waarde in onze samenlevingen heeft behouden., Maar goud is misschien nog specialer dan we dachten.
door dit glanzende metaal te bewerken en te bewerken, hebben mensen geleidelijk de fysische en chemische eigenschappen ervan geleerd., “True gold fears no fire” is een oud Chinees idioom, dat afkomstig is van het feit dat bulk goud intact en glanzend blijft wanneer geplaatst boven houtvuren (600-1000 °C), terwijl de meeste andere metalen (zoals koper, zink, en nikkel en hun legeringen) zou smelten en/of bezoedelen in die omstandigheden. In scheikundige termen zeggen we dat goud een uitstekende chemische stabiliteit heeft tegen oxidatie en een relatief hoog smeltpunt (1064 °C). Maar het blijkt dat er dankzij nanowetenschap manieren zijn om te veranderen hoe goud zich gedraagt bij verschillende temperaturen, met behoud van zijn andere speciale kenmerken.,
laten we onze dagelijkse ervaring met water als voorbeeld gebruiken om te helpen begrijpen wat er aan de hand is met goud. We weten dat ijs (vast) altijd lijkt te smelten naar water (vloeibaar) bij een vaste temperatuur, en dan lijkt water altijd te verdampen naar Stoom (gas) bij een vaste temperatuur. Deze temperaturen worden aangeduid als het smeltpunt en kookpunt, respectievelijk. De smelt-en kookpunten kunnen verschillen afhankelijk van de lokale druk. Dit is de reden waarom uw koken of bakken recepten kunnen verschillende instructies voor grote hoogten, die lagere luchtdruk dan lage hoogten hebben.,
We hoeven echter geen Bergen op en neer te klimmen om het kookpunt te manipuleren. Dit kunnen we gemakkelijk doen door de lokale druk te veranderen, zo werkt een snelkookpan: door de druk te verhogen stijgt het kookpunt van water naar een hogere temperatuur, waardoor het water warmer kan worden zonder te verdampen, waardoor het eten sneller kookt (Figuur 2).
om te begrijpen hoe een snelkookpan de druk binnen verhoogt, moeten we onthouden wat er gebeurt met de moleculen van een vloeistof wanneer deze opwarmt: ze beginnen verder uit elkaar te bewegen! Smeltpunt is echter veel minder gevoelig voor lokale drukverandering. Dit is omdat in vergelijking met vloeistof verdampen gas, het volume over het algemeen niet te veel toeneemt wanneer vaste stoffen smelten in vloeistoffen. (Kant opmerking: water is ongebruikelijk in dat het volume eigenlijk groter wordt wanneer het bevriest tot een vaste-ooit een blikje frisdrank exploderen in de vriezer?, – maar dat is een onderwerp voor een andere post!)
het belangrijkste punt is dat het niet praktisch is om het smeltpunt van een stof te manipuleren door de lokale druk te veranderen – je zou een drastische drukverandering moeten maken om zelfs maar een kleine verandering in het smeltpunt te krijgen (Figuur 3).
maar zijn er andere manieren om het smeltpunt van een materiaal te veranderen?, En om terug te komen op het hoofdonderwerp van dit bericht, kunnen we goud smelten bij kamertemperatuur?in een eerdere blogpost, “Nanoparticles Are All Around Us”, bespraken we dat naarmate de grootte van een materiaal afneemt tot nanoschaal, ook veel fysische en chemische eigenschappen veranderen. Dit is vooral te wijten aan het” oppervlakte-effect”, of de verhoogde oppervlakte-tot-volume verhouding (Figuur 4).3
De kleur van goud verandert bijvoorbeeld van glanzend geel naar donkerrood wanneer de grootte afneemt tot het nanometerbereik (Figuur 5). Dus hoe verandert het smeltpunt van een materiaal als zijn grootte afneemt tot de nanoschaal?
al in 1871 (toen hij geen manier had om nanodeeltjes te zien) toonde Sir William Thomson aan dat het smeltpunt omgekeerd verandert met de straal van een deeltje volgens de volgende vergelijking, die vandaag bekend staat als de Gibbs-Thomson equation4:
als je informatie toevoegt over de deeltjesgrootte van het materiaal en andere kenmerken, toont deze vergelijking aan dat de grootte en het smeltpunt van een materiaal direct gerelateerd. Naarmate de grootte van het materiaal afneemt, neemt ook het smeltpunt af., Dit fenomeen is algemeen bekend als “smeltpunt depressie”.5
Figuur 6 toont de relatie tussen nanodeeltjes en smeltpunt voor goud volgens de Gibbs-Thomson vergelijking. Zoals wij kunnen zien, kan het smeltpunt van goud nanoparticles zelfs lager zijn dan kamertemperatuur (~23-25 °C) wanneer de grootte tot minder dan ongeveer 1 afneemt.,4 nm. Bij die grootte, zijn er slechts ongeveer 85 atomen aanwezig in elk nanoparticle, en de meeste atomen worden blootgesteld aan de oppervlakte.6 (in tegenstelling, in een 4 nm deeltje, zijn er bijna 2000 goudatomen, waardoor de meeste atomen nog steeds aan de binnenkant van het deeltje. Vraag je je af hoe we dit weten? Zie onze blogpost: “hoe kun je berekenen hoeveel atomen er in een nanodeeltje zitten?”)
het verschil tussen een vaste stof en een vloeistof is gemakkelijk te zien voor objecten van normale grootte: vloeistoffen bewegen, stromen en nemen de vorm aan van wat ze ook bevatten, maar vaste stoffen zijn stijf en klotsen niet rond.,7 maar is er een manier om de “vloeibare nanodeeltjes” die we hier hebben beschreven direct te visualiseren?
Transmission electron microscopy (tem) is zeer geschikt voor dit doel. Wanneer elektronenbundels een monster raken, kunnen ze de nanodeeltjes opwarmen en smelten. De atomen in een steekproef kunnen ook veroorzaken incident elektronenbundels om in vele specifieke richtingen te diffracteren., Door de hoeken en intensiteiten van deze diffractiebundels te meten, kunnen diffractiepatronen worden gecreëerd en kan de positie van de atomen in de steekproef worden bepaald. Atomen zijn over het algemeen zeer geordend in vaste stoffen, maar bewegen in vloeistoffen, wat zal resulteren in verschillende diffractiepatronen. Vlekkerige patronen worden meestal waargenomen voor vaste monsters terwijl halo patronen meestal worden waargenomen voor vloeibare monsters. We kunnen dan de vaste toestand onderscheiden van de vloeibare toestand door te kijken naar hun elektronendiffractiepatronen., (Voor meer informatie over elektronenmicroscopie, zie onze post “Nature Under a Microscope: Exploring the Beauty of Nanoscience”.)
al in 1954 gebruikte Takagi deze strategie voor het eerst om “smeltpuntonderdrukking” uit te testen (Figuur 8). Hij koos voor lead om te studeren omdat het een relatief laag smeltpunt heeft en gemakkelijk kan worden omgezet in een 5 nm dikke film., Onder TEM zagen Takagi en zijn team dat het smeltpunt van een loodfilm met een dikte van 5 nm daalde van de gebruikelijke 327 °C tot 170 °C. 9
hoewel de resultaten van Takagi indrukwekkend waren, waren ze niet in staat om de overgang van vaste naar vloeibare stof in real time vast te leggen. Tegenwoordig kunnen we dit doen dankzij de ontwikkeling van wat in situ TEM wordt genoemd.10 Toen zilveren nanoparticles kleiner dan 10 nm op een wolfraamuiteinde werden geplaatst, merkten de onderzoekers een “vloeibaar-achtig” gedrag onder bepaalde omstandigheden., De zilveren nanodeeltjes bleven zeer kristallijn in het interieur, wat suggereert dat ze niet smelten — als de deeltjes inderdaad gesmolten waren, zouden we verwachten geen kristallijnen patronen en een volledig gerandomiseerde atomaire opstelling te zien (zoals het halo-patroon uit figuur 8). Dit interessante “vloeistof-achtige” gedrag werd toegeschreven aan de atomen op de zilveren nanodeeltjes bewegen rond onder druk, waardoor de illusie dat het gesmolten (figuur 9).,
dit alles helpt ons te begrijpen dat, hoewel mensen vroeger dachten dat “echt goud geen vuur vreest,” we nu weten dat metalen op nanoschaal, waaronder goud, zich kunnen gedragen als vloeistoffen bij kamertemperatuur!,
enerzijds kan smeltpuntdepressie sommige nanodeeltjes minder nuttig maken, als ze in vaste toestand moeten zijn om in hun technologische toepassingen te kunnen functioneren. Anderzijds, is de smeltpuntdepressie ook zeer nuttig voor toepassingen waar nanoparticles beter in vloeibare staat werken. We kunnen bijvoorbeeld gemakkelijk de vorm van nanoschaal materialen veranderen bij veel lagere temperaturen dan hun smeltpunt zou suggereren.
daarom is het antwoord op de vraag waarmee we begonnen: Ja!, In theorie kan goud, of enig ander materiaal, worden beschouwd als “gesmolten” dankzij de verbazingwekkende eigenschappen van materialen op nanoschaal.
EDUCATIONAL RESOURCES
- The International Association for the Properties of Water and Steam: waarom breidt water uit als het bevriest? Journal of Chemical Education: The Science of Chocolate: Interactive Activities on Phase transities, Emulsification, and Nucleation by Amy Rowat et al., (kan abonnement vereisen)
- University of Georgia Extension: The Science Behind our Food-Using Freeze-Point Depression to Find Molecular Weight
Leave a Reply