Altın dünyada en çok bilinen değerli soy metallerden biridir. Altını bu kadar özel kılan binlerce yıl süren parlaklığı ve paslanmamasıdır. Altını bu özelliği kimyasal soyluluk olarak bilinir. Altın, bilinen tüm metaller arasında en soylu olanıdır; diğer metallerin yüzey katmanlarındaki atomlarla bağ kurarak pas veya kararma oluşturan oksijen gibi maddelerle kolayca reaksiyona girmez.
İşte ABD’deki Tulane Üniversitesi’nden bilgisayar destekli kimyagerler; Santu Biswas ve Matthew M. Montemore, altının neden paslanmadığını keşfetti.
Araştırmalarına göre, altın yüzeyindeki atomların dizilişi o kadar sıkı bir yapı oluşturur ki, aksi takdirde onunla etkileşime girecek olan di-oksijen (iki oksijen atomlu) molekülü, oksidasyonu tetikleyecek kadar kolayca parçalanamaz. Bu yapıyı biraz gevşetirseniz, altın paslanmaya karşı çok daha savunmasız hale gelebilir – ama 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 dönüştürebilecek serbest, reaktif bir oksijen atomuna ihtiyaç vardır.
Bunu gerçekleştirmek için bilim insanları, molekülü iki adet yüksek reaktif oksijen atomuna ayırmaya yardımcı olan bir metal yüzey kullanarak dioksijeni ‘aktive edebilir’ hale getirdi.
Altın, çok inert olduğu için ( yani diğer atom veya moleküllerle güçlü bir şekilde reaksiyona girmediği için )bu reaksiyon için özellikle arzu edilen bir katalizör olacaktır.
Bazı oksijen aktivasyon katalizörleri çok daha reaktif olduğundan istenmeyen yan ürünler oluşturabilir veya katalizörün kendisi oksijenle çok güçlü bir şekilde bağlanarak zamanla aşınabilir.
Altının bu tür işler için uygun bir aday olmadığını düşünebilirsiniz, ancak 1980’lerde bilim insanları şok edici bir keşif yaptı.
Toplu altın, oksijen katalizi için uygun olmasa da, altın nanopartiküller oksijeni aktive etmede şaşırtıcı derecede etkilidir.
Bu keşif büyük bir soruyu gündeme getirdi. Altın oksijene bu kadar güçlü direnç gösteriyorsa, bu minik parçacıklar oksidasyon reaksiyonlarını nasıl tetikleyebiliyor?
Yeni araştırma, cevabın altın yüzeyindeki atomların dizilişinde yatabileceğini öne sürüyor.
Biswas ve Montemore, oksijen moleküllerinin farklı atom düzenlemelerine sahip nanometre ölçeğindeki altın yüzeylerle temas ettiğinde neler olduğunu incelemek için bilgisayar simülasyonları kullandılar.
Özellikle, iki farklı tür desen üzerinde çalıştılar: 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 çarpıcıydı.
Yeniden yapılandırılmış yüzeylerde, etkileşim tam olarak beklendiği gibi gerçekleşti. Oksijen molekülü, kütle halindeki altının yer aldığı gerçek senaryolarda gözlemlendiği gibi, kolayca iki oksijen atomuna ayrılmadı.
Yeniden yapılandırılmamış yüzeylerde ise durum daha farklı olamazdı. Oksijen molekülleri oldukça kolay bir şekilde ayrıldı.
Simülasyonlar, bunun nedeninin sıkı bir şekilde paketlenmiş altıgen yüzeyde oksijen moleküllerinin kolayca ayrılmak için yeterli alan bulamaması olduğunu gösteriyor.
Kare desenler, bu boşluğun dahil edildiği daha gevşek bir geometriye sahiptir ve oksijen molekülleri ayrılmak için çok daha kolay bir tutunma noktası bulabilir.
Ne kadar daha kolay? Araştırmacılar, bunun birçok kat daha fazla olduğunu buldu. Oksijen ayrışması, yeniden yapılandırılmamış yüzeylerde yeniden yapılandırılmış yüzeylere göre milyarlarca ila trilyonlarca kat daha kolay gerçekleşti.
Bu, minik altın nanopartiküllerinin neden kütle halindeki altından bu kadar farklı davrandığını açıklamaya yardımcı olabilir. Küçük parçacıklar, daha büyük altın parçalarında görülen sıkı paketlenmiş yeniden yapılandırılmış yüzeyleri tam olarak geliştiremeyebilir ve bu da daha reaktif kare benzeri bölgeleri açıkta bırakır.
Toplu altındaki yüzey atomlarının sıkı düzeni, oksidasyona direnmek için tasarlanmış değildir; bu sadece metal için en kararlı konfigürasyondur. Korozyon direnci, bunun sadece hoş bir yan etkisidir. Yeni bulgular, bilim insanlarının korozyon direnci ile verimli oksijen aktivasyonunu dengeleyen altın katalizörler tasarlamasına yardımcı olabilir.
Araştırmacılar, “Bu, altının dioksijene karşı neden bu kadar inert olduğu konusunda yeni bir anlayış sağlıyor ve kare veya dikdörtgen yapılı yüzeyler oluşturmanın, altın üzerindeki oksidasyon reaksiyonları için katalitik aktiviteyi önemli ölçüde artırabileceğini gösteriyor” diye yazıyor.
“Sonuçlarımız, dioksijen aktivasyonunu artırmak için yeniden yapılandırmayı en aza indiren veya kare benzeri motifleri stabilize eden altın bazlı katalizörler tasarlamak için yeni bir strateji sunuyor.”
https://www.sciencealert.com/scientists-found-the-atomic-reason-that-gold-refuses-to-rust
Araştırma Physical Review Letters dergisinde yayınlandı.
