Złoto jest jednym z najbardziej pożądanych metali na świecie. Szlachetny żółty metal jest rzadki w przyrodzie i był używany jako środek pieniężny i do wyrobu biżuterii od czasów starożytnych (Rysunek 1).1 uważa się, że sprowadzone na Ziemię przez meteory, złoto jest naprawdę nie z tego świata!2 Istnieje wiele powodów, dla których złoto jest wyjątkowe i dlaczego zachowało swoją wartość w naszych społeczeństwach., Ale złoto może być jeszcze bardziej wyjątkowe, niż myśleliśmy.
wytwarzając i przetwarzając ten błyszczący metal, ludzie stopniowo poznali jego fizyczne i chemiczne właściwości., „Prawdziwe złoto nie boi się ognia” to stary chiński idiom, który wywodzi się z faktu, że luzem złoto pozostaje nienaruszone i błyszczące, gdy umieszczone nad ogniem drewna (600-1000 °C), podczas gdy większość innych metali (takich jak miedź, cynk i nikiel i ich stopy) stopi się i/lub matowieje w tych warunkach. W kategoriach chemicznych mówimy, że złoto ma doskonałą stabilność chemiczną przed utlenianiem i stosunkowo wysoką temperaturę topnienia (1064 °C). Okazuje się jednak, że dzięki nanonauce istnieją sposoby na zmianę zachowania złota w różnych temperaturach, zachowując przy tym inne szczególne cechy.,
wykorzystajmy nasze codzienne doświadczenia z wodą jako przykład, aby pomóc zrozumieć, co dzieje się ze złotem. Wiemy, że lód (ciało stałe) wydaje się zawsze topić do wody (cieczy) w stałej temperaturze, a następnie woda wydaje się zawsze odparowywać do pary (gazu) w stałej temperaturze. Temperatury te są określane jako temperatura topnienia i temperatura wrzenia, odpowiednio. Temperatura topnienia i wrzenia może być różna w zależności od lokalnego ciśnienia. Dlatego twoje przepisy kulinarne mogą mieć różne instrukcje dotyczące dużych wysokości, które mają niższe ciśnienie powietrza niż na małych wysokościach.,
nie musimy jednak wspinać się po górach, aby manipulować temperaturą wrzenia. Możemy to łatwo zrobić, zmieniając lokalne ciśnienie, tak działa Szybkowar: zwiększając ciśnienie, temperatura wrzenia wody wzrasta do wyższej temperatury, co oznacza, że woda może się nagrzać bez parowania, co sprawia, że jedzenie gotuje się szybciej (ryc. 2).
aby zrozumieć, w jaki sposób Szybkowar podnosi ciśnienie wewnątrz, musimy pamiętać, co dzieje się z cząsteczkami cieczy, gdy się nagrzewa: zaczynają się oddalać od siebie! Temperatura topnienia jest jednak znacznie mniej wrażliwa na lokalną zmianę ciśnienia. Dzieje się tak, ponieważ w porównaniu do cieczy parującej do gazu, objętość na ogół nie zwiększa się zbyt dużo, gdy ciała stałe topią się w ciecze. (Uwaga: woda jest niezwykła, ponieważ jej objętość staje się większa, gdy zamarza do ciała stałego – czy kiedykolwiek puszka sody eksplodowała w zamrażarce?, – ale to temat na kolejny post!)
głównym punktem jest to, że nie jest praktyczne manipulowanie temperaturą topnienia substancji poprzez zmianę lokalnego ciśnienia – trzeba by dokonać drastycznej zmiany ciśnienia, aby uzyskać nawet niewielką zmianę temperatury topnienia (Rysunek 3).
ale, są inne sposoby, aby zmienić temperaturę topnienia materiału?, A Wracając do głównego tematu tego postu, czy możemy stopić złoto w temperaturze pokojowej?
we wcześniejszym poście na blogu, „nanocząstki są wszędzie wokół nas,” omówiliśmy, że jak rozmiar materiału zmniejsza się do nanoskali, wiele właściwości fizycznych i chemicznych również zmienić. Wynika to głównie z „efektu powierzchni” lub zwiększonego stosunku powierzchni do objętości (Rysunek 4).3
Kolor złota, na przykład, zmienia się z błyszczącego żółtego na ciemnoczerwony, gdy jego rozmiar zmniejsza się do zakresu nanometrów (Rysunek 5). Więc jak temperatura topnienia materiału zmienia się wraz ze zmniejszeniem jego wielkości do nanoskali?
już w 1871 roku (kiedy nie miał możliwości faktycznego zobaczenia nanocząstek) Sir William Thomson wykazał, że temperatura topnienia zmienia się odwrotnie z promieniem cząstki zgodnie z następującym równaniem, znanym dziś jako równanie Gibbsa-Thomsona 4:
jeśli podłączysz informacje o wielkości cząstek materiału i innych cechach, to równanie pokazuje, że rozmiar materiału jest i temperatura topnienia są bezpośrednio związane. Wraz ze spadkiem wielkości materiału, temperatura topnienia również spadnie., Zjawisko to jest powszechnie znane jako „spadek temperatury topnienia”.5
Rysunek 6 pokazuje zależność między wielkością nanocząstek a temperaturą topnienia złota zgodnie z równaniem Gibbsa-Thomsona. Jak widać, temperatura topnienia nanocząstek złota może być nawet niższa niż temperatura pokojowa (~23-25 °C), gdy rozmiar zmniejsza się do mniej niż około 1.,4 nm. Przy tej wielkości w każdym nanocząstce jest tylko około 85 atomów, a większość atomów jest odsłonięta na powierzchni.6 (natomiast w cząsteczce o długości 4 nm Znajduje się prawie 2000 atomów złota, pozostawiając większość atomów nadal we wnętrzu cząstki. Zastanawiasz się, skąd to wiemy? Zobacz nasz wpis na blogu ” jak można obliczyć, ile atomów znajduje się w nanocząstce?”)
różnica między ciałem stałym a cieczą jest łatwa do zauważenia dla obiektów o normalnej wielkości: ciecze poruszają się, przepływają i przybierają kształt dowolnego pojemnika, w którym są umieszczone, ale ciała stałe są sztywne i nie obijają się.,7 ale czy istnieje sposób, aby bezpośrednio wizualizować „nanocząstki cieczy”, które opisujemy tutaj?
transmisyjna mikroskopia elektronowa (TEM) jest bardzo dobrze przystosowana do tego celu. Kiedy wiązki elektronów uderzają w próbkę, mogą się rozgrzać i stopić nanocząstki. Atomy w próbce mogą również powodować padające wiązki elektronów do dyfrakcji w wielu specyficznych kierunkach., Poprzez pomiar kątów i intensywności tych wiązek dyfrakcyjnych można utworzyć wzory dyfrakcyjne i określić położenie atomów w próbce. Atomy są zwykle bardzo uporządkowane w ciałach stałych, ale poruszają się w cieczach, co powoduje różne wzorce dyfrakcyjne. Plamiste wzorce są zwykle obserwowane dla próbek stałych, podczas gdy wzorce halo są zwykle obserwowane dla próbek ciekłych. Możemy wtedy odróżnić stan stały od ciekłego, patrząc na ich wzorce dyfrakcji elektronów., (Więcej na temat mikroskopii elektronowej można znaleźć w naszym poście „Nature Under a Microscope: Exploring the Beauty of Nanoscience”.)
już w 1954 roku Takagi po raz pierwszy użył tej strategii do przetestowania „tłumienia temperatury topnienia” (Rysunek 8). Wybrał ołów do badań, ponieważ ma stosunkowo niską temperaturę topnienia i można go łatwo przekształcić w folię o grubości 5 nm., Pod tem Takagi i jego zespół zobaczyli, że temperatura topnienia folii ołowianej o grubości 5 nm spadła ze zwykłego 327 °C do 170 °C. 9
chociaż wyniki Takagiego były imponujące, nie byli w stanie uchwycić przejścia ciała stałego do cieczy w czasie rzeczywistym. Obecnie możemy to zrobić dzięki rozwojowi tzw. in situ TEM.10 kiedy nanocząstki srebra mniejsze niż 10 nm zostały umieszczone na końcówce wolframu, naukowcy zaobserwowali” podobne do cieczy ” zachowanie w pewnych okolicznościach., Nanocząstki srebra pozostawały wysoce krystaliczne we wnętrzu, co sugeruje, że nie stopiły się — gdyby cząstki rzeczywiście stopiły się, spodziewalibyśmy się, że nie zobaczymy krystalicznych wzorów i całkowicie randomizowanego układu atomowego (jak wzór halo z rysunku 8). To interesujące „cieczopodobne” zachowanie zostało przypisane atomom nanocząstki srebra poruszającym się pod ciśnieniem, dając złudzenie, że jest stopiony (ryc. 9).,
wszystko to pomaga nam zrozumieć, że chociaż ludzie kiedyś myśleli, że „prawdziwe złoto nie boi się ognia”, teraz wiemy, że metale w nanoskali, w tym złoto, mogą zachowywać się jak ciecze w temperaturze pokojowej!,
z jednej strony obniżenie temperatury topnienia może sprawić, że niektóre nanocząstki staną się mniej przydatne, jeśli muszą być w stanie stałym, aby funkcjonować w swoich zastosowaniach technologicznych. Z drugiej strony, obniżenie temperatury topnienia jest również bardzo pomocne w zastosowaniach, w których nanocząstki działają lepiej w stanie ciekłym. Na przykład, możemy łatwo zmienić kształt nanoskalowanych materiałów w znacznie niższych temperaturach niż sugerowałaby ich temperatura topnienia.
dlatego odpowiedź na pytanie, od którego zaczęliśmy brzmi: tak!, W teorii złoto lub jakikolwiek inny materiał można uznać za” stopiony ” dzięki niesamowitym właściwościom materiałów w nanoskali.
zasoby edukacyjne
- Międzynarodowe Stowarzyszenie Na Rzecz właściwości wody i pary wodnej: Dlaczego woda rozszerza się, gdy zamarza?
- Journal of Chemical Education: The Science of Chocolate: Interactive Activities on Phase Transitions, Emulsification, and Nucleation by Amy Rowat et al., (może wymagać subskrypcji)
- University of Georgia Extension: the Science Behind our Food-Using Freezing-Point Depression to Find Molecular Weight
Leave a Reply