Bilim İnsanları Altının Paslanmamasının Atomik Nedenini Buldu

Bunların en önemlilerinden biri göz alıcı parlaklığıdır. Birçok metalin aksine, altın paslanmaya, kararmaya ve korozyona karşı son derece dayanıklıdır – binlerce yıl sonra bile bugün olduğu kadar parlak sarı görünmeye devam edecektir.

Bu özellik kimyasal asalet olarak bilinir; yani elementin düşük reaktiviteye sahip olması anlamına gelir.

Altın, bilinen tüm metaller arasında en asil olanıdır – diğer metallerin yüzey katmanlarındaki atomlarla bağ kurarak pas veya kararma oluşturan oksijen gibi maddelerle kolayca reaksiyona girmez.

Şimdi, ABD’deki Tulane University bünyesinde çalışan hesaplamalı kimyagerler Santu Biswas ve Matthew M. Montemore bunun nedenini keşfetti.

Araştırmalarına göre, altının yüzeyindeki atomların dizilişi o kadar sıkı paketlenmiş bir desen oluşturuyor ki, normalde onunla etkileşime girecek olan dioksijen molekülü oksidasyonu başlatacak şekilde yeterince kolay parçalanamıyor.

Bu düzen biraz gevşetilirse, altın paslanmaya karşı dramatik biçimde daha savunmasız hale gelebilir – fakat bu aslında iyi bir şey olabilir.

Kimyada oksijen aktivasyonu, diğer reaksiyonların gerçekleşmesini sağlayan önemli bir adımdır. Örneğin karbon monoksiti karbondioksite dönüştürmek için, CO’ya bağlanarak onu CO2’ye çevirecek serbest ve reaktif bir oksijen atomuna ihtiyaç vardır.

Bunu yapmak için bilim insanları, dioksijeni iki yüksek derecede reaktif oksijen atomuna ayırmaya yardımcı olan bir metal yüzeyi kullanarak onu “aktive” edebilirler.

Altın bu reaksiyon için özellikle arzu edilen bir katalizör olurdu çünkü çok inerttir – yani diğer atomlar veya moleküllerle güçlü şekilde reaksiyona girmez.

Bazı oksijen aktivasyon katalizörleri çok daha reaktiftir; bu da istenmeyen yan ürünler oluşturabilir ya da katalizörün kendisinin oksijene fazla güçlü bağlanıp zamanla aşınmasına neden olabilir.

Altının bu tür bir iş için kötü bir aday olacağını düşünebilirsiniz, fakat 1980’lerde bilim insanları şaşırtıcı bir keşif yaptı.

Kütlesel altın oksijen katalizi için uygun olmasa da, altın nanoparçacıkları oksijeni aktive etmede şaşırtıcı derecede etkiliydi.

Bu keşif büyük bir soruyu gündeme getirdi.

Altın oksijene bu kadar güçlü şekilde direniyorsa, bu küçücük parçacıklar oksidasyon reaksiyonlarını nasıl gerçekleştirebiliyordu?

Yeni araştırma, cevabın altının yüzeyindeki atomların dizilişinde yatıyor olabileceğini öne sürüyor.

Biswas ve Montemore, farklı atom düzenlerine sahip nanoskobik altın yüzeyleriyle temas ettiğinde oksijen moleküllerine ne olduğunu incelemek için bilgisayar simülasyonları kullandı.

Özellikle iki farklı desen türünü incelediler: atomların altının doğal olarak tercih ettiği sıkı paketlenmiş altıgen düzene yerleştiği “yeniden yapılandırılmış” yüzeyler ve daha gevşek kare benzeri desenler oluşturan “yeniden yapılandırılmamış” yüzeyler.

İki yüzey türü arasındaki fark dramatikti.

Yeniden yapılandırılmış yüzeylerde etkileşim tam da beklendiği gibi gerçekleşti. Oksijen molekülü, kütlesel altınla ilgili gerçek senaryolarda gözlemlendiği üzere, kolayca iki oksijen atomuna ayrılamadı.

Yeniden yapılandırılmamış yüzeylerde ise durum tamamen farklıydı. Oksijen molekülleri oldukça kolay şekilde ayrıldı.

Simülasyonlar bunun nedeninin, sıkı paketlenmiş altıgen yüzeyde oksijen moleküllerinin kolayca parçalanabilecek yeterli alan bulamaması olduğunu gösteriyor.

Kare desenler ise bu alanı sağlayan daha gevşek bir geometrik yapıya sahip ve oksijen molekülleri parçalanmak için yeterli tutunmayı çok daha kolay bulabiliyor.

Peki ne kadar daha kolay? Araştırmacılara göre birçok büyüklük mertebesi kadar. Oksijen ayrışması, yeniden yapılandırılmamış yüzeylerde yeniden yapılandırılmış olanlara kıyasla milyarlarca ila trilyonlarca kat daha kolay gerçekleşti.

Bu durum, küçük altın nanoparçacıklarının neden kütlesel altından bu kadar farklı davrandığını açıklamaya yardımcı olabilir. Küçük parçacıklar, daha büyük altın parçalarında görülen sıkı paketlenmiş yeniden yapılandırılmış yüzeyleri tam olarak geliştiremeyebilir; bu da daha reaktif kare benzeri bölgelerin açıkta kalmasına yol açar.

Kütlesel altındaki yüzey atomlarının sıkı düzeni aslında oksidasyona direnmek için tasarlanmış değildir; bu sadece metal için en kararlı yapılandırmadır. Korozyon direnci ise bunun sadece hoş bir yan etkisidir.

Yeni bulgular, bilim insanlarının korozyon direnci ile verimli oksijen aktivasyonu arasında denge kuran altın katalizörleri tasarlamasına yardımcı olabilir.

Araştırmacılar şöyle yazıyor:

“Bu çalışma, altının dioksijene karşı neden bu kadar inert olduğuna dair yeni bir anlayış sağlıyor ve kare veya dikdörtgen yapılara sahip yüzeyler oluşturmanın altın üzerindeki oksidasyon reaksiyonları için katalitik aktiviteyi önemli ölçüde artırabileceğini gösteriyor.”

“Sonuçlarımız, yeniden yapılandırmayı en aza indiren veya kare benzeri motifleri stabilize eden altın tabanlı katalizörlerin tasarlanması için yeni bir strateji sunuyor; böylece dioksijen aktivasyonu geliştirilebilir.”