Впервые учёным удалось создать золотую «фольгу» толщиной в атомный слой

Впервые учёным удалось получить двумерное золото толщиной всего в один атомный слой. Материал получил название goldene. И это на первых порах — затруднение для переводчиков, так как термин в словари ещё не попал. Слово явно образовано по аналогии с англоязычным названием — graphene. В общем, пусть будет, соответственно, «голдéн».


Сообщение об открытии опубликовали в журнале Nature Synthesis. Итак, по словам исследователей из Университета Линчёпинга (LiU), Швеция, небывалая тонкость слоя придала золоту в форме голдена новые полезные свойства.

Учёные долгое время пытались изготовить листы золота толщиной в один атом, но претерпевали неудачу из-за склонности металла к слипанию. Наконец в Швеции добились успеха благодаря… методу столетней давности, которым пользовались японские кузнецы.

Исследователь из LiU Шун Кашивайя рассказал, что при достижении чрезвычайной тонкости с веществами может происходить нечто экстраординарное — как с графеном. И это случилось с золотом. Будучи металлом, при толщине слоя в один атом золото может превратиться в полупроводник. А у полупроводников, как известно, электрическая проводимость увеличивается с ростом температуры

Для создания голдена исследователи использовали трёхмерный материал-основу, в котором золото встроили между слоями титана и углерода. Причём создание голдена оказалось сложной задачей. По словам Ларса Хультмана, профессора физики в LiU, прогресс научного проекта случился благодаря интуитивной прозорливости экспериментаторов.

Хультман сказал, что базовый материал с формулой Ti₃AuC₂ создали с совершенно иными целями. Работа поначалу велась над электропроводящей керамикой под названием карбосилицид титана Ti₃SiC₂, в которой кремний присутствует тонкими слоями. Затем появилась свежая идея — покрыть материал золотом для создания контакта. Но когда компонент подвергли воздействию высокой температуры, слой кремния внутри основного материала заместился золотом.

Это явление называется интеркаляцией. Интеркаляция — обратимое включение молекулы или группы между другими молекулами или группами. Исследователи обнаружили, что теперь перед ними карбид титана и золота Ti₃AuC₂. Причём они в течение нескольких лет не знали, как же «отшелушить» из него золото, разложив элементы «по полочкам».

Ларс Хультман случайно наткнулся на метод, который используют в японском кузнечном деле уже больше сотни лет. Японские мастера так называемым реактивом Мураками вытравливают из поковки остатки углерода и изменяют цвет стали, например, при изготовлении ножей. Вот его состав из распространённого справочника по травлению металлов: «10 г калиевой соли гексацианожелезной кислоты (красная кровяная соль), 10 г едкого калия, 100 мл дистиллированной воды». В других источниках встречается и такие «рецепты»: «2 г соли K₃Fе (CN)₆, 25 г KOH и 70 мл H₂O», «красная кровяная соль 10 г, едкий кали 10 г, вода 100 мл» и «красная кровяная соль 30 г, едкий кали 30 г, вода 60 мл».

Но запросто использовать кузнечную технологию не получалось. И тогда Шун Кашивайя взялся приспосабливать ноу-хау для травления под текущие нужды. Он перепробовал разные концентрации реактива Мураками и разные временные интервалы для травления: день, неделя, месяц, несколько месяцев.



Оказалось, что травление к тому же должно протекать в темноте, поскольку на свету в результате реакции образуется цианид, который растворяет золото.

На финальном этапе требовалось придать золотой «фольге» стабильность. Чтобы предотвратить скручивание оголённых двумерных хлопьев золота, пришлось добавить поверхностно-активное вещество. Как известно, ПАВ при добавлении в жидкость снижает её поверхностное натяжение, тем самым увеличивая текучесть и смачивающие свойства.

«Лепестки» голдена выглядели в растворе, как какие-то кукурузные хлопья в молоке. Используя что-то вроде «ситечка», учёные собрали оттуда золото и исследовали его с помощью электронного микроскопа. Так подтвердилось, что они достигли успеха.

Новые свойства голдена обусловлены тем фактом, что золото в двумерном виде имеет две свободные химические связи. Предполагается, что эти свойства делают золотую «фольгу» толщиной в атом пригодной для конверсии (превращения) углекислого газа, производства водорода и химикатов с добавленной стоимостью. К последним относятся вещества, имеющие промышленную ценность и полученные из дешёвой натуральной биомассы химическим или биосинтетическим путём.

На следующем этапе исследователи из LiU намерены выяснить, можно ли совершить то же самое с другими благородными металлами.