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.
За пределами лаборатории: потенциальные применения 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.
