aurul este unul dintre cele mai dorite metale din lume. Prețiosul metal galben este rar în natură și a fost folosit ca mijloc de monedă și în confecționarea bijuteriilor încă din cele mai vechi timpuri (Figura 1).1 se crede că este adus pe Pământ de meteori, aurul este cu adevărat din această lume!2 există o mulțime de motive pentru care aurul este special și de ce și-a menținut valoarea în societățile noastre., Dar, aurul ar putea fi chiar mai special decât am crezut.
De crafting și de prelucrare a acestui metal stralucitor, oamenii au învățat treptat proprietățile sale fizice și chimice., „Aur adevărat nu se teme de foc” este un vechi idiom Chinez, care provine din faptul că vrac aur rămâne intact și strălucitoare atunci când sunt introduse pe foc de lemne (600-1000 °C), în timp ce cele mai multe alte metale (cum ar fi cupru, zinc și nichel și aliajele lor) s-ar topi și/sau păta în aceste condiții. În termeni chimici, spunem că aurul are o stabilitate chimică excelentă împotriva oxidării și un punct de topire relativ ridicat (1064 °c). Dar se pare că, datorită nanoștiinței, există modalități de a schimba modul în care aurul se comportă la temperaturi diferite, păstrând în același timp celelalte caracteristici speciale.,să folosim experiența noastră zilnică cu apa ca exemplu pentru a înțelege ce se întâmplă cu aurul. Știm că gheața (solidă) pare să se topească întotdeauna în apă (lichidă) la o temperatură fixă, iar apoi apa pare să se evapore întotdeauna la abur (gaz) la o temperatură fixă. Aceste temperaturi sunt denumite punctul de topire și punctul de fierbere, respectiv. Punctele de topire și fierbere pot fi diferite în funcție de presiunea locală. Acesta este motivul pentru care rețetele dvs. de gătit sau de coacere ar putea avea instrucțiuni diferite pentru altitudini mari, care au o presiune a aerului mai mică decât altitudinile joase.,
nu trebuie să urcăm și să coborâm munți pentru a manipula punctul de fierbere, totuși. Putem face acest lucru cu ușurință schimbând presiunea locală, așa funcționează o aragaz sub presiune: prin creșterea presiunii, punctul de fierbere al apei crește până la o temperatură mai ridicată, ceea ce înseamnă că apa se poate încălzi fără a se evapora, ceea ce face ca mâncarea să se gătească mai repede (figura 2).
Pentru a înțelege cum o oala sub presiune ridică presiunea în interiorul, trebuie să ne amintim ce se întâmplă cu moleculele de lichid, atunci când se încălzește: încep să se miște mai departe în afară! Punctul de topire, cu toate acestea, este mult mai puțin sensibil la schimbarea presiunii locale. Acest lucru se datorează faptului că, în comparație cu evaporarea lichidului la gaz, volumul nu crește prea mult atunci când solidele se topesc în lichide. (Notă laterală: apa este neobișnuită prin faptul că volumul său devine de fapt mai mare atunci când îngheață într – un solid-ați avut vreodată o cutie de sodă să explodeze în congelator?, – dar asta e un subiect pentru un alt post!principalul punct este că nu este practic să manipulați punctul de topire al unei substanțe prin schimbarea presiunii locale – ar trebui să faceți o schimbare drastică a presiunii pentru a obține chiar și o mică schimbare a punctului de topire (Figura 3).
Dar, există și alte modalități de a modifica punctul de topire al unui material?, Și revenind la subiectul principal al acestui post, putem topi Aurul la temperatura camerei?într-o postare anterioară pe blog, „nanoparticulele sunt în jurul nostru”, am discutat că, pe măsură ce dimensiunea unui material scade la scară nanometrică, multe proprietăți fizice și chimice se schimbă și ele. Acest lucru se datorează în mare parte „efectului de suprafață” sau raportului suprafață-volum crescut (Figura 4).3
culoare de aur, de exemplu, se schimbă de la galben strălucitor la roșu închis atunci când dimensiunea acestuia scade la nanometri (Figura 5). Deci, cum se schimbă punctul de topire al unui material pe măsură ce dimensiunea acestuia scade la scară nanometrică?
încă din 1871 (când a avut nici un mod de fapt de a vedea nanoparticule), Sir William Thomson a arătat că punctul de topire modifică invers proporțional cu raza de o particulă în conformitate cu următoarea ecuație, cunoscut astăzi ca Gibbs-Thomson equation4:
Dacă vă conectați la informații despre materialul este de dimensiunea particulelor și de alte caracteristici, această ecuație arată că un material de dimensiunea și de punctul de topire sunt direct legate. Pe măsură ce dimensiunea materialului scade, punctul de topire va scădea și el., Acest fenomen este cunoscut sub numele de”depresie punct de topire”.5
Figura 6 arată relația dintre dimensiunea nanoparticulelor și punctul de topire de aur, potrivit lui Gibbs-Thomson ecuație. După cum putem vedea, punctul de topire al nanoparticulelor de aur poate fi chiar mai mic decât temperatura camerei (~23-25 °C) atunci când dimensiunea scade la mai puțin de aproximativ 1.,4 nm. La această dimensiune, există doar aproximativ 85 de atomi prezenți în fiecare nanoparticulă, iar majoritatea atomilor sunt expuși la suprafață.6 (în schimb, într-o particulă de 4 nm, există aproape 2000 de atomi de aur, lăsând majoritatea atomilor încă în interiorul particulei. Te întrebi de unde știm asta? Vedeți postarea pe blog, ” cum puteți calcula câți atomi sunt într-o nanoparticulă?”)
diferența dintre un solid și un lichid este ușor de văzut pentru obiectele de dimensiuni normale: lichidele se mișcă, curg și iau forma oricărui recipient în care sunt introduse, dar solidele sunt rigide și nu se strecoară.,7 dar există o modalitate de a vizualiza direct „nanoparticulele lichide” pe care le-am descris aici?
microscopie electronică de Transmisie (TEM) este foarte bine-potrivite pentru acest scop. Când fasciculele de electroni lovesc o probă, ele se pot încălzi și topi nanoparticulele. Atomii dintr-o probă pot provoca, de asemenea, fascicule de electroni incidente să difracteze în multe direcții specifice., Prin măsurarea unghiurilor și intensităților acestor fascicule difractate, se pot crea modele de difracție și se poate determina poziția atomilor în eșantion. Atomii sunt în general foarte ordonați în solide, dar se mișcă în lichide, ceea ce va duce la diferite modele de difracție. Modelele Spotty sunt de obicei observate pentru probele solide, în timp ce modelele halo sunt de obicei observate pentru probele lichide. Apoi putem diferenția starea solidă de starea lichidă uitându-ne la modelele lor de difracție electronică., (Pentru mai multe detalii despre microscopia electronică, consultați postarea noastră „Nature Under a Microscope: Exploring the Beauty of Nanoscience”.)
la fel de devreme Ca în 1954, Takagi primul folosit această strategie pentru a testa „punctul de topire suprimarea” (Figura 8). El a ales plumb pentru a studia, deoarece are un punct de topire relativ scăzut, și poate fi ușor de făcut într-un film de 5 nm grosime., Sub TEM, Takagi și echipa sa au văzut că punctul de topire al unui film de plumb de 5 nm a scăzut de la 327 °C la 170 °C. 9
deși rezultatele lui Takagi au fost impresionante, nu au reușit să surprindă tranziția solid-lichid în timp real. În zilele noastre putem face acest lucru datorită dezvoltării a ceea ce se numește in situ TEM.10 când nanoparticule de argint mai mici de 10 nm au fost plasate pe un vârf de tungsten, cercetătorii au observat un comportament „asemănător lichidului” în anumite circumstanțe., Nanoparticulele de argint au rămas foarte cristaline în interior, sugerând că nu s — au topit-dacă particulele s-ar fi topit într-adevăr, ne-am aștepta să nu vedem modele cristaline și un aranjament atomic complet randomizat (cum ar fi modelul halo din figura 8). Acest comportament interesant de tip „lichid” a fost atribuit atomilor de pe nanoparticula de argint care se deplasează sub presiune, dând iluzia că s-a topit (Figura 9).,
Toate acestea ne ajută să înțelegem că, chiar dacă oamenii obișnuiau să creadă că „adevărata aur nu se teme de foc,” acum știm că nanometrice metale, inclusiv de aur, se poate comporta ca lichidele la temperatura camerei!,pe de o parte, depresia punctului de topire ar putea face unele nanoparticule mai puțin utile, dacă trebuie să fie într-o stare solidă pentru a funcționa în aplicațiile lor tehnologice. Pe de altă parte, depresia punctului de topire este, de asemenea, foarte utilă pentru aplicațiile în care nanoparticulele funcționează mai bine în stare lichidă. De exemplu, putem schimba cu ușurință forma materialelor nanoscalate la temperaturi mult mai scăzute decât ar sugera punctul lor de topire.prin urmare, răspunsul la întrebarea cu care am început este: da!, În teorie, aurul sau orice alt material poate fi considerat „topit” datorită proprietăților uimitoare ale materialelor la scară nanometrică.
resurse educaționale
- Asociația Internațională pentru proprietățile apei și aburului: de ce se extinde apa atunci când îngheață?
- Jurnalul de educație chimică: știința ciocolatei: activități Interactive privind tranzițiile de fază, emulsionarea și nucleația de Amy Rowat și colab., (poate necesita abonament)
- Universitatea din Georgia extensie: știința din spatele nostru alimentar-folosind congelare-punctul de depresie pentru a găsi Greutate moleculară
Leave a Reply