Ученые создали слой золота толщиной всего в один атом

Впервые ученым удалось создать листы золота толщиной всего в один атомный слой. Материал получил название Goldene. По мнению исследователей из Университета Линчепинга, двумерное золото приобретает новые свойства, которые могут сделать его пригодным, среди прочего, для конверсии углекислого газа, производства водорода и производства ценных химических веществ. Результаты опубликованы в журнале Nature Synthesis.

Ученые уже давно пытались сделать листы золота толщиной в один атомный слой, но потерпели неудачу из-за склонности металла слипаться. Но теперь исследователям удалось добиться успеха благодаря многовековому рецепту, используемому японскими кузнецами.

— Если сделать материал очень тонким, произойдет нечто экстраординарное — как с графеном. То же самое происходит и с золотом. Как вы знаете, обычное золото — это металл, но если оно становится толщиной в атомный слой, вместо этого золото может стать полупроводником, — говорит Шун Кашивайя, ученый с кафедры дизайна материалов Университета Линчепинга.

Чтобы создать двумерное золото, исследователи начали с трехмерного базового материала, в котором золото заключено между слоями титана и углерода. Но путь не был гладким. По словам Ларса Хультмана, профессора физики, отчасти прогресс зависит от удачи.

— Мы создавали базовый материал с совершенно разной целью. Мы начали с электропроводящей керамики, называемой титан-карбид кремния, где кремний находится в тонких слоях. Тогда возникла идея покрыть керамику золотом для создания контакта. «Но когда мы подвергли материал воздействию высоких температур, слой кремния внутри основного материала заменился золотом», — говорит Ларс Хультман.

Это явление называется интеркаляцией, и исследователи тогда обнаружили карбид титана-золота. В течение нескольких лет исследователи имели в распоряжении карбид титана и золота, не зная, как можно «вымыть» золото.

Японское кузнечное искусство

Словно случайно Ларс Хультман нашел метод, который используется в японском кузнечном деле уже более ста лет. Его называют реагентом Мураками, который вытравливает остатки углерода и изменяет цвет стали, например, при производстве ножей. Но использовать тот же рецепт, что и те кузнецы, не удалось. Шуну Кашавая пришлось проверить себя:

— Я пробовал разные концентрации реактива Мураками и разные сроки травления. День, неделя, месяц, несколько месяцев. Мы заметили, что чем ниже концентрация и дольше время травления, тем лучше. Но этого все равно было недостаточно, говорит он.

Травление также необходимо производить в темноте, так как в результате реакции при попадании света на него образуется цианид, который растворяет золото. Последним шагом было сделать золотые листы стабильными. Чтобы предотвратить скручивание открытых двумерных листов, было добавлено поверхностно-активное вещество. В данном случае это длинная молекула, разделяющая и стабилизирующая листы, так называемое поверхностно-активное вещество.

— Лист с золотом находится в растворе, чем-то похожем на кукурузные хлопья в молоке. С помощью своеобразной «сети» мы можем собрать золото и изучить его в электронном микроскопе, чтобы подтвердить, что нам это удалось. Что у нас и есть, — говорит Шун Кашавая.

Множество приложений

Новые свойства золота обусловлены тем, что атомы золота приобретают две свободные связи, когда они находятся в двух измерениях.

Благодаря этому будущие применения могут включать конверсию углекислого газа, производство ценных химикатов, катализ для производства водорода, очистку воды, связь и многое другое. Кроме того, количество золота, используемого сегодня в приложениях, можно значительно сократить.

Следующим шагом исследователей станет изучение возможности сделать то же самое с другими драгоценными металлами и определение новых сфер применения в будущем.