guld är en av de mest önskade metallerna i världen. Den ädelgula metallen är sällsynt i naturen och har använts som ett medium av valuta och i smycken sedan antiken (Figur 1).1 tros föras till jorden av meteorer, är guld verkligen ut ur denna värld!2 Det finns många anledningar till att guld är speciellt och varför det har behållit sitt värde i våra samhällen., Men guld kan vara ännu mer speciellt än vi trodde.
genom att tillverka och bearbeta denna glänsande metall har människor gradvis lärt sig sina fysikaliska och kemiska egenskaper., ”True gold fears no fire” är ett gammalt kinesiskt idiom, som härstammar från det faktum att bulkguld förblir intakt och glänsande när det placeras över träbränder (600-1000 °C), medan de flesta andra metaller (som koppar, zink och nickel och deras legeringar) skulle smälta och/eller smälta under dessa förhållanden. I kemi säger vi att guld har utmärkt kemisk stabilitet mot oxidation och en relativt hög smältpunkt (1064 °C). Men det visar sig att tack vare nanovetenskap finns det sätt att ändra hur guld beter sig vid olika temperaturer samtidigt som man behåller sina andra speciella egenskaper.,
låt oss använda vår dagliga upplevelse med vatten som ett exempel för att förstå vad som händer med guld. Vi vet att is (fast) verkar alltid smälta till vatten (vätska) vid en fast temperatur, och sedan verkar vatten alltid förångas till ånga (gas) vid en fast temperatur. Dessa temperaturer kallas smältpunkten respektive kokpunkten. Smältpunkterna och kokpunkterna kan vara olika beroende på det lokala trycket. Det är därför din matlagning eller bakning recept kan ha olika instruktioner för höga höjder, som har lägre lufttryck än låga höjder.,
vi behöver dock inte klättra upp och ner i bergen för att manipulera kokpunkten. Vi kan enkelt göra detta genom att ändra det lokala trycket, vilket är hur en tryckkokare fungerar: genom att öka trycket ökar kokpunkten för vatten till en högre temperatur, vilket innebär att vattnet kan bli varmare utan att förångas, vilket gör maten snabbare (Figur 2).
för att förstå hur en tryckkokare höjer trycket inuti, måste vi komma ihåg vad som händer med molekylerna i en vätska när den värms upp: de börjar röra sig längre ifrån varandra! Smältpunkten är dock mycket mindre känslig för lokala tryckförändringar. Detta beror på att jämfört med flytande avdunstning till gas, ökar volymen i allmänhet inte för mycket när fasta ämnen smälter i vätskor. (Sidoanteckning: vatten är ovanligt eftersom volymen faktiskt blir större när den fryser till en fast-någonsin har en burk soda explodera i frysen?, – men det är ett ämne för ett annat inlägg!)
huvudpunkten är att det inte är praktiskt att manipulera smältpunkten för ett ämne genom att ändra det lokala trycket – du skulle behöva göra en drastisk förändring av trycket för att få ännu en liten förändring i smältpunkten (Figur 3).
men finns det andra sätt att ändra smältpunkten för ett material?, Och att komma tillbaka till huvudämnet i det här inlägget, kan vi smälta guld vid rumstemperatur?
i ett tidigare blogginlägg, ”nanopartiklar är runt omkring oss,” vi diskuterade att eftersom storleken på ett material minskar till nanoskala, många fysikaliska och kemiska egenskaper förändras också. Detta beror främst på ”yteffekten” eller det ökade ytarean-till-volymförhållandet (Figur 4).3
guldfärgen ändras till exempel från glänsande gul till mörkröd när dess storlek minskar till nanometerområdet (Figur 5). Så hur förändras smältpunkten för ett material när dess storlek minskar till nanoskalen?
så tidigt Som 1871 (när han hade inget sätt att faktiskt se nanopartiklar), Sir William Thomson visade att smältpunkt förändringar omvänt med en radie av en partikel enligt följande ekvation, som idag är känt som Gibbs-Thomson equation4:
Om du ansluter information om materialets partikel storlek och andra egenskaper, denna ekvation visar att en betydande storlek och smältpunkt är direkt relaterade. När materialets storlek minskar kommer smältpunkten också att minska., Detta fenomen är allmänt känt som”smältpunkt depression”.5
Figur 6 visar förhållandet mellan nanopartikelstorlek och smältpunkt för guld enligt Gibbs-Thomson-ekvationen. Som vi kan se kan smältpunkten för guld nanopartiklar vara ännu lägre än rumstemperatur (~23-25 °C) när storleken minskar till mindre än ca 1.,4 nm. Vid den storleken finns det bara cirka 85 atomer närvarande i varje nanopartikel, och de flesta atomerna exponeras på ytan.6 (däremot, i en 4 nm partikel, det finns nästan 2000 guldatomer, lämnar de flesta atomer fortfarande på insidan av partikeln. Undrar hur vi vet det här? Se vårt blogginlägg, ” Hur kan du beräkna hur många atomer som finns i en nanopartikel?”)
skillnaden mellan en fast och en vätska är lätt att se för normalstora föremål: vätskor rör sig, flyter och tar formen av vilken innehåll som helst som de sätts in men fasta ämnen är styva och slosh inte runt.,7 Men finns det ett sätt att direkt visualisera de ”flytande nanopartiklar” som vi har beskrivit här?
transmissionselektronmikroskopi (TEM) är mycket väl lämpad för detta ändamål. När elektronstrålar träffar ett prov kan de värma upp och smälta nanopartiklarna. Atomer i ett prov kan också orsaka infallande elektronstrålar att diffrahera i många specifika riktningar., Genom att mäta vinklarna och intensiteterna hos dessa diffraherade strålar kan diffraktionsmönster skapas och atomernas position i provet kan bestämmas. Atomer är i allmänhet högt beställda i fasta ämnen men rör sig i vätskor, vilket kommer att resultera i olika diffraktionsmönster. Spotty mönster observeras vanligtvis för fasta prover medan halo mönster observeras vanligtvis för flytande prover. Vi kan sedan skilja fast tillstånd från flytande tillstånd genom att titta på deras elektrondiffraktionsmönster., (För mer information om elektronmikroskopi, se vår post ”Natur Under ett mikroskop: utforska skönheten i Nanovetenskap”.)
redan 1954 använde Takagi först denna strategi för att testa ”smältpunktsundertryckning” (figur 8). Han valde bly att studera eftersom det har en relativt låg smältpunkt, och kan lätt göras till en 5 nm tjock film., Under tem såg Takagi och hans lag att smältpunkten för en 5 nm tjock blyfilm minskade från den vanliga 327 ° C till 170 ° C. 9
Även om Takagis resultat var imponerande kunde de inte fånga den fasta till flytande övergången i realtid. Nuförtiden kan vi göra detta tack vare utvecklingen av det som kallas in situ TEM.10 när silvernanopartiklar mindre än 10 nm placerades på en volfram spets, observerade forskarna ett ”flytande” beteende under vissa omständigheter., Silvernanopartiklarna förblev mycket kristallina i inredningen, vilket tyder på att de inte smälte — om partiklarna verkligen hade smält, skulle vi förvänta oss att se inga kristallina mönster och ett helt randomiserat atomarrangemang (som halo-mönstret från Figur 8). Detta intressanta ”flytande” beteende tillskrivs atomerna på silvernanopartikeln som rör sig under tryck, vilket ger illusionen att den smälts (Figur 9).,
allt detta hjälper oss att förstå att även om folk brukade tro att ”äkta guld fruktar ingen eld”, vet vi nu att nanoskala metaller, inklusive guld, kan bete sig som vätskor vid rumstemperatur!,
å ena sidan kan smältpunktsdepression göra vissa nanopartiklar mindre användbara om de behöver vara i fast tillstånd för att fungera i sina tekniska tillämpningar. Å andra sidan är smältpunktsdepression också till stor hjälp för applikationer där nanopartiklar fungerar bättre i flytande tillstånd. Till exempel kan vi enkelt ändra formen på nanoskalade material vid mycket lägre temperaturer än deras smältpunkt skulle föreslå.
därför är svaret på den fråga vi började med: Ja!, I teorin kan guld eller något annat material betraktas som ”smält” tack vare de fantastiska egenskaperna hos material vid nanoskalen.
utbildningsresurser
- International Association for the Properties of Water and Steam: varför expanderar vattnet när det fryser?
- Journal of Chemical Education: The Science of Chocolate: interaktiva aktiviteter på fasövergångar, emulgering och nukleering av Amy Rowat et al., (kan kräva abonnemang)
- University of Georgia förlängning: vetenskapen bakom vår mat-med hjälp av fryspunkt Depression för att hitta Molekylvikt
Leave a Reply