Ученые создали новую форму золота в виде листа толщиной в один атом

На протяжении веков ювелиры искали способы расплющить золото до все более тонких форм. Подход, основанный на современной химии, наконец-то позволил создать золотой материал, который буквально не может стать тоньше, — он состоит из одного слоя атомов. Исследователи назвали этот новый двумерный материал «голден». Он обладает некоторыми интересными свойствами, которые не наблюдаются у трехмерной формы золота.

«Если сделать материал очень тонким, то произойдет нечто необычное — как в случае с графеном, — объясняет материаловед Шун Кашивайя из Университета Линчепинга в Швеции. — То же самое происходит и с золотом. Как вы знаете, золото обычно является металлом, но если его толщина составляет один атомный слой, оно может стать полупроводником».

Золото довольно сложно привести в двумерную конфигурацию из-за его склонности слипаться. Предыдущие попытки приводили либо к тонкому листу толщиной в несколько атомов, либо к монослою, зажатому между другими материалами или на них, и неспособному отделиться. Кашивайя и его коллеги не ставили перед собой задачу создать голден, а случайно наткнулись на первые шаги своего процесса.

«Мы создавали базовый материал, имея в виду совершенно другие применения, — говорит физик материалов Ларс Хультман. — Мы начали с электропроводящей керамики под названием карбид титана-кремния, где кремний находится в тонких слоях. Затем мы решили покрыть материал золотом, чтобы создать контакт. Но когда мы подвергли компонент воздействию высокой температуры, кремниевый слой был заменен золотом внутри основного материала».

Но, как и в других попытках создать монослойное золото, прогресс застопорился на этом критическом этапе. В течение нескольких лет созданный командой интеркалированный карбид титана-золота оставался таковым, не имея возможности извлечь сверхтонкие слои золота из промежутков между слоями титана и углерода.

Именно здесь на помощь приходит метод, основанный на использовании травильного раствора под названием «реактив Мураками». Реактив Мураками — это смесь химических веществ, используемых в металлообработке для вытравливания углерода и окрашивания стали, в результате чего получаются узоры, которые можно увидеть на некоторых японских ножах.

Исследователи пробовали разные концентрации смеси и разные сроки, в течение которых процесс травления разъедал титан и углерод, окружающий золото. Чем дольше они выдерживали смесь, тем лучше были результаты, но это было не все, что требовал рецепт.

При травлении в реактиве Мураками образуется побочный продукт — ферроцианид калия. При попадании на свет это соединение выделяет цианид, который растворяет золото, поэтому процесс травления должен был проходить исключительно в темноте.

Наконец, тонкий лист золота имел склонность к скручиванию и комкованию, что было решено путем добавления поверхностно-активного вещества, которое предотвращало сворачивание слоя и его прилипание к самому себе, сохраняя целостность монослоя. Дальнейший анализ показал, что в результате этих сложных шагов удалось сформировать стабильный золотой слой, 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 тем, что их проводимость можно настраивать.

Золото уже обладает свойствами, благодаря которым оно высоко ценится в химической промышленности. Придание ему свойств полупроводника открывает совершенно новые возможности его использования, включая очистку воды, связь и химическое производство.

Ранее профессор Раффаэле Мецценга из ETH Zurich успешно извлек золото из электронных отходов, используя побочный продукт из процесса производства электронных устройств. Электронные отходы содержат множество ценных металлов, включая медь, кобальт и даже значительные количества золота. Восстановление этого золота из вышедших из употребления смартфонов и компьютеров является привлекательным предложением ввиду растущего спроса на драгоценный металл.