На протяжении веков ювелиры искали способы придать золоту еще более изящные формы. Подход, основанный на современной химии, наконец-то создал золотой материал, который буквально не может стать тоньше и состоит из одного слоя атомов. Исследование команды было опубликовано в журнале Nature Synthesis.
Придерживаясь соглашений о названиях, принятых в науке о материалах, исследователи назвали этот новый двумерный материал «золотым», и он обладает некоторыми интересными свойствами, которых нет в трехмерной форме золота.
«Если сделать материал чрезвычайно тонким, произойдет нечто экстраординарное – как с графеном», – объясняет ученый-материаловед Шун Кашивайя из Университета Линчёпинга в Швеции. «То же самое происходит и с золотом. Как вы знаете, золото обычно представляет собой металл, но если слой толщиной в один атом, золото может вместо этого стать полупроводником».
Золото довольно сложно превратить в двумерную конфигурацию из-за его склонности слипаться. Предыдущие попытки приводили либо к тонкому листу толщиной в несколько атомов, либо к монослою, зажатому между другим материалом или на нем, который невозможно было отсоединить.
Кашивайя и его коллеги не собирались делать голден, но случайно наткнулись на первые этапы своего процесса.
«Мы создали базовый материал с совершенно разными целями», — говорит физик-материаловед Ларс Хультман из Университета Линчёпинга. «Мы начали с электропроводящей керамики под названием «титан-карбид кремния», где кремний находится в тонких слоях. Затем идея заключалась в том, чтобы покрыть материал золотом для обеспечения контакта. Но когда мы подвергли компонент воздействию высокой температуры, слой кремния был заменен золотом внутри основного материала».
Все идет нормально. Но, как и в случае с другими попытками создания монослойного золота, на этом важном этапе прогресс застопорился. В течение нескольких лет интеркалированный карбид титана и золота, созданный командой, оставался просто так, без возможности извлечь сверхтонкие слои золота между слоями титана и углерода, которые его окружали.
Здесь на помощь приходит техника, основанная на травильном растворе, называемом реактивом Мураками.
Реактив Мураками представляет собой смесь химикатов, используемых в металлообработке для травления углерода и окрашивания стали, в результате чего образуются узоры, подобные тем, которые можно увидеть на некоторых японских ножах.
Они пробовали разные концентрации смеси и разные временные рамки процесса травления, чтобы разъедать титан и углерод, окружающие золото. Чем дольше они оставляют его, тем лучше результат – но это еще не все, что требовал рецепт.
Эффект травления реагента Мураками приводит к образованию побочного продукта, называемого ферроцианидом калия. При воздействии света соединение выделяет цианид, который растворяет золото, поэтому процесс травления пришлось проходить полностью в темноте.
Наконец, тонкий лист золота имел тенденцию скручиваться и слипаться, что было решено путем добавления поверхностно-активного вещества, которое не позволяло слою сгибаться и прилипать к самому себе, сохраняя целостность монослоя. Дальнейший анализ показал, что благодаря этим кропотливым шагам наконец удалось сформировать стабильную золотую рыбу, как и предсказывало теоретическое моделирование.
Обычно золото является отличным проводником электричества. Когда элемент принимает форму двумерного листа, атомы имеют две свободные связи, превращая его в полупроводник с проводящими свойствами между проводником и изолятором. Они полезны, поскольку их проводимость можно регулировать.
Золото уже обладает свойствами, которые делают его высоко ценимым в химической промышленности. Придание ему свойств полупроводника открывает совершенно новый спектр способов его использования, включая очистку воды, связь и химическое производство.
