Золото — благородный металл, который имеет тенденцию слипаться, что затрудняет его уплощение с сохранением жизнеспособной структуры. Недавно исследователи из Университета Линчепинга (Швеция) совершили настоящий прорыв: они создали первый лист золота толщиной в атом. Этот новый двумерный материал, получивший название Goldene и обладающий полупроводниковыми свойствами, может найти широкое применение в самых разных технологиях.
"Если вы создаете чрезвычайно тонкий материал, происходит нечто необычное — как с графеном. То же самое происходит и с золотом. Как вы знаете, золото — это металл, но если в нем всего один атом, оно может стать полупроводником", — объясняет исследователь материалов Шун Кашивайя в пресс-релизе Линчепингского университета. Кашивайя — один из главных исследователей, участвовавших в разработке Goldene, материала, состоящего из одного слоя атомов золота. Поэтому он буквально не может быть тоньше.
Не так давно графен (чрезвычайно твердый, тонкий и гибкий материал, который является отличным тепловым и электрическим проводником) был впервые воспроизведен в лаборатории. Благодаря своим удивительным свойствам он вскоре стал использоваться в электронике, солнечных батареях, самолетах и даже в готовой одежде. Сегодня Goldene привлекает к себе особое внимание с точки зрения применения, поскольку, как и графен, он может найти множество технологических применений. Первый одноатомный лист золота Кашивайя и его коллеги изначально не ставили перед собой задачу создать Goldene. Все началось с трехмерного материала, в котором золото было встроено между слоями углерода и титана. Главной задачей было отшелушить это золото и распределить его по поверхности.
"Мы создали базовый материал, имея в виду совершенно разные применения", — объясняет Ларс Хультман, физик-материаловед из Университета Линчепинга. "Мы начали с электропроводящей керамики под названием карбид кремния-титана, где кремний присутствует в тонких слоях. Затем мы решили покрыть материал золотом, чтобы обеспечить контакт. Но когда мы подвергли компонент воздействию высоких температур, кремниевый слой был заменен золотом внутри основного материала", — продолжает он.
Однако в результате этой попытки первоначально получилась пленка толщиной в несколько атомов. В течение многих лет монослой титана и интеркалированного карбида золота, созданный командой, оставался таким, каким он был. Не было никакой возможности извлечь ультратонкие слои золота. Но однажды вмешался случай и подсказал Кашивайе и его команде метод, основанный на использовании раствора для травления под названием "реактив Мураками", который происходит от японского искусства ковки. Этот реагент в основном используется в процессе изготовления ножей. При смешивании различных химических веществ удаляются остатки углерода, и цвет стали меняется. Исследователям пришла в голову идея использовать этот реагент для того, чтобы попытаться извлечь сусальное золото из карбида титана-золота, который они ранее изготовили.
"Я пробовал разные концентрации реагента Мураками и разное время травления. Один день, одна неделя, один месяц, несколько месяцев. Мы заметили, что чем меньше концентрация и чем дольше процесс травления, тем лучше. Но этого все равно было недостаточно", — объясняет Кашивайя.
Тогда ученые поняли, что ферроцианид калия, образовавшийся в результате травления, выделяет цианид, который растворяет золото при попадании на него света. Поэтому они решили проводить травление в темноте, и именно эта попытка оказалась успешной. Последний этап процесса заключался в том, чтобы предотвратить скручивание золотого листа. Для этого исследователи использовали поверхностно-активное вещество, чтобы стабилизировать листья.
"Золотые листья находятся в растворе, как кукурузные хлопья в молоке. Используя своего рода "сито", мы можем собрать золото и рассмотреть его под электронным микроскопом, чтобы убедиться в успехе", — объясняет Кашивайя.
Так родился Goldene. Диаграмма, иллюстрирующая химический процесс, используемый для производства Goldene.
Зачем создавать такой тонкий лист золота? Это актуальный вопрос, на который команда Кашивайи дала точный ответ. По мнению исследователей, в двухмерной форме золото имеет две свободные связи и, следовательно, обладает новыми свойствами (по сравнению со стандартным золотом). В результате оно может найти множество применений, включая преобразование углекислого газа, очистку воды, селективное производство химических веществ и многое другое. Его также можно использовать в качестве катализатора при производстве водорода. Вслед за этим исследователи из Университета Линчепинга планируют выяснить, можно ли сделать то же самое с другими благородными металлами.
Напомним, золотая фольга имеет применение в ядерной физике: в начале XX века Эрнест Резерфорд путём исследования рассеяния альфа-частиц на атомах золота открыл планетарную модель атома, а в наше время золотая фольга используется как подложка для мишеней при синтезе сверхтяжёлых химических элементов.