Aurul se transformă complet atunci când este redus la un singur strat atomic. Electronii săi capătă proprietăți noi, iar lumina interacționează cu suprafața sa în moduri neașteptate. Acum, o echipă de cercetători a anunțat că a reușit în premieră să izoleze o astfel de foiță, pe care a numit-o „goldene”, o aluzie la celebrul grafen, materialul format dintr-un singur strat de atomi de carbon.
Dar de ce este atât de importantă o foiță de aur de grosimea unui atom? Reducerea unui material la două dimensiuni îi poate debloca proprietăți remarcabile, invizibile în forma sa brută. Printre acestea se numără un comportament electric ce poate fi controlat, interacțiuni mai puternice cu lumina și o suprafață extrem de reactivă, ideală pentru a accelera reacțiile chimice în calitate de catalizator.
Această nouă cercetare demonstrează cum se poate obține o foiță de aur independentă, cu grosimea unui singur atom, depășind provocarea de a crea simple pelicule ultra-subțiri dependente de o suprafață de suport.
Cum a fost creat „Goldene”
Metoda, care „ar putea extinde limitele a ceea ce se poate face cu materialele”, conform lui Lars Hultman, cercetător la Universitatea Linköping din Suedia și autor principal al studiului, începe cu un cristal stratificat în mod natural.
Echipa a pornit de la un cristal de tip „fază MAX”, care conține straturi atomice stivuite într-un model repetitiv. Mai întâi, au încălzit o peliculă de Ti₃SiC₂ acoperită cu aur la aproximativ 670 °C, permițând atomilor de aur să înlocuiască siliciul și să formeze un nou compus, Ti₃AuC₂.
În experimentele anterioare, acest proces lăsa aurul atomic blocat între alte straturi. „Vestea bună era că aveam straturi de aur cu grosimea unui singur atom. Vestea proastă era că acestea erau captive în interiorul cristalului gazdă.”, explică Hultman.
Secretul eliberării foiței de aur
Metalele au o tendință naturală de a se aglomera în picături, nu de a se întinde în straturi atomice. Pentru a preveni acest lucru, echipa a trebuit să graveze selectiv straturile care nu conțineau aur, protejând în același timp foița nou expusă.
Soluția a fost reactivul Murakami, un agent de gravare clasic care reacționează puternic cu titanul și carbonul, dar care, în condiții controlate, ignoră aurul. În paralel, au fost folosiți agenți tensioactivi (surfactanți) pentru a stabiliza suprafața aurului. Molecule voluminoase precum CTAB și molecule mici pe bază de sulf, precum cisteina, s-au atașat de aur, împiedicând foița să se onduleze sau să fuzioneze în timpul procesului.
Selectivitatea a fost crucială. Un agent de gravare prea puternic ar fi distrus structura, transformând-o în nanoparticule. Unul prea slab ar fi prelungit procesul, deteriorând foița. Echilibrul perfect a fost atins folosind concentrații scăzute de reactiv, combinate cu surfactanții potriviți și desfășurând procesul în întuneric, pentru a preveni reacțiile induse de lumină care ar fi putut dizolva aurul.
Chiar și distanța dintre straturile de aur din cristalul inițial a contat. Straturile prea apropiate se atrăgeau reciproc pe măsură ce erau eliberate, fuzionând. O separare mai mare a oferit timp surfactanților să se infiltreze și să stabilizeze fiecare foiță individuală.
O structură confirmată la nivel atomic
Analiza cu microscoape electronice a confirmat succesul: foițe de aur independente, cu grosimea unui singur atom. Deși fulgii nu erau mari, având lățimi de până la 100 de nanometri, aceștia erau monostraturi veritabile, nu stive de atomi.
Măsurătorile au arătat că distanța dintre atomii de aur vecini s-a redus cu aproximativ 9% față de aurul obișnuit, un efect al constrângerii materialului în două dimensiuni, care strânge legăturile atomice. Mai mult, spectroscopia a relevat o schimbare semnificativă în energia de legătură a electronilor, confirmând că atomii de goldene se află într-un mediu electronic complet diferit, specific unui metal bidimensional.
Simulările computerizate sugerează că o foiță perfectă de goldene este stabilă la temperatura camerei și ajută la explicarea ondulațiilor observate în materialul real.
De ce este important acest nou supermaterial
Aurul este deja un material esențial în electronică, fotonică, senzori și medicină. Aplatizarea sa într-un singur strat îi multiplică suprafața și îi modifică fundamental comportamentul electronic.
Această combinație ar putea duce la catalizatori mai eficienți, capabili să transforme deșeurile în substanțe chimice valoroase, ar putea îmbunătăți captarea luminii în celulele solare sau ar putea eficientiza terapiile care folosesc căldura pentru a distruge tumori. Deoarece goldene expune un număr maxim de atomi la suprafață, se poate obține un efect mai puternic cu o cantitate mai mică de metal prețios, reducând astfel costurile și impactul ecologic al mineritului.
În esență, echipa a reușit să ascundă un strat de aur de un atom grosime într-un cristal, apoi a dizolvat totul în jur, folosind un fel de „săpun” chimic pentru a menține foița plată și stabilă. Rezultatul este un material cu proprietăți unice, care trece de pe lista de dorințe a oamenilor de știință direct în laborator, deschizând o lume nouă de posibilități.
Studiul a fost publicat în revista Nature Synthesis.
