Ученые создали самый тонкий в мире золотой лист толщиной всего в один атом, получивший название «голден».
При изготовлении goldene команда использовала 100-летнюю технологию, используемую японскими кузнецами для выделения отдельных слоев драгоценного металла.
Goldene-это новейший 2D-материал, который был создан с тех пор, как графен ( графен-это один слой решетки толщиной в 1 атом, отсюда-его первое уникальное свойство: самый тонкий, он в 60 раз тоньше мельчайшего из вирусов, в 3 тыс. раз тоньше бактерии, в 300 тыс. раз тоньше листа бумаги) был впервые создан в 2004 году.
По словам исследователей, новый материал, получивший название «голден», может найти важное применение в конверсии углекислого газа и производстве водорода. О своей работе они сообщили в журнале Nature Synthesis 16 апреля.
Исследователи проявляют особый интерес к двумерным материалам из-за их необычных оптических, электронных и каталитических свойств.
Чрезвычайно большая площадь поверхности этих веществ по отношению к их объему означает, что они ведут себя совершенно иначе, чем химически идентичные сыпучие вещества, и с момента открытия графена в 2004 году появилось множество примеров двумерных материалов.
Однако большинство этих материалов изготавливаются из неметаллов или смешанных соединений, и создание одноатомных листов из чистых металлов гораздо сложнее.
«Металлы не любят одиночества»,-сказал Майкл Йенг, химик твердого тела из Университета Олбани, в электронном письме Live Science. «Поскольку связи в металлах делокализованы, они легко соединяются друг с другом и агломерируются. Приготовление одного слоя-это настоящий подвиг, потому что вы боретесь с желанием металла соединяться не только с самим собой, но и с другими листами.»
Предыдущие попытки сталкивались с этой проблемой. Несколько команд создали один слой атомов золота, встроенных в твердое вещество-носитель, такое как карбид кремния, покрытый графеном,-«что-то вроде «сэндвич-структуры», используя графен в качестве псевдобуханки, а золото-в качестве мяса»,-сказал Йенг. Но извлечение золота из этих сложных слоистых твердых тел оказалось проблематичным, поскольку атомы золота коагулировали в наночастицы, как только носитель был удален.
Шун Кашивайя, доцент кафедры физики, химии и биологии Линчепингского университета в Швеции, и его коллеги перевернули этот подход с ног на голову и впервые успешно выделили золотые листы.
Он начали с создания слоистой структуры из титана, кремния и углерода, которую затем покрыли поверхностным слоем золота. В течение 12 часов частицы золота проникали в материал, заменяя слой кремния на золото и создавая золотой слой, встроенный в твердое вещество. Однако вместо того, чтобы пытаться удалить слой золота, команда тщательно вытравила все окружающее твердое вещество, оставив золотой лист нетронутым.
Разобранная схема атомарных слоев, использованных для создания золотого материала. Золото получают путем предварительной замены атомов кремния в слоистой структуре на золото. Затем окружающее твердое вещество вытравливают, оставляя отдельные золотые пластины.
Они разработали этот метод, когда соавтор исследования Ларс Хультман, профессор кафедры физики, химии и биологии Университета Линчепинга, исследовал химические травители. Как рассказал Кашивайя в интервью Live Science, Хультман нашел метод 100-летней давности, используемый японскими кузнецами для вытравливания остатков карбида из стали. Этот раствор, называемый реактивом Мураками или щелочным феррицианидом калия, вытравливал окружающую подложку из карбида титана, не затрагивая золотой слой.
Чтобы усовершенствовать метод, команда экспериментировала с различными условиями реакции и концентрациями травильного раствора. Важно отметить, что они обнаружили, что добавление цистеина в качестве поверхностно-активного вещества или химического вещества, снижающего поверхностное натяжение жидкости, стабилизировало изолированные листы и предотвращало кластеризацию атомов золота и их объединение в наночастицы.
Отдельно стоящие листы goldene имели длину до 100 нанометров и были в сотни раз тоньше обычного сусального золота.
Кашивайя и Хультман считают, что благодаря повышенной химической реакционной способности goldene он может найти важное применение в реакциях превращения углекислого газа в топливо, такое как этанол и метан, а также воды в водород. В настоящее время они работают над усовершенствованием метода синтеза.
«Мы стремимся изучить фундаментальные физические и химические свойства goldene и продолжить разработку процесса синтеза, чтобы увеличить как площадь покрытия goldene, так и выход продукта»,-сказал Кашивайя. «Мы также планируем применить этот подход для производства других элементарных 2D-материалов (металленов), помимо золота».
Йенг особенно заинтересован в получении новых 2D-материалов, которые стали возможны благодаря этому методу.
Следующим шагом может стать создание единого слоя серебра с использованием алюминия в качестве основы, сказал Йенг.