Изобретен материал из золота толщиной в 1 атом: чем хорош гольден и почему его было так трудно создать?

Исследователям из Линчепингского университета (Швеция) впервые удалось создать то, над чем долго и безуспешно работали многие ученые по всему миру — двухмерное золото, лист этого металлена толщиной всего в один атом. Благодаря тому что его атомы не «сворачиваются» в трехмерную структуру, гольде́н получает уникальные физические свойства. По словам разработчиков, он найдет применение в качестве катализатора и полупроводника, для превращения углекислого газа, получения водорода и различных химикатов. Создание нового материала описано в Nature Synthesis.

Не слипнется

После получения первого в мире двухмерного материала графена в 2004 году, который показал множество уникальных полезных свойств, ученые заинтересовались созданием других подобных материалов. Атомы, которые способны стабильно оставаться в состоянии плоского 2D-листа, ведут себя совсем иначе, чем в химически таком же, но трехмерном веществе. Эксперты поясняют, что это обусловлено их чрезвычайно большой площадью поверхности по отношению к общему объему. В случае с золотом это подразумевает еще и солидную экономию.

Но большинство созданных с 2004 года двухмерных материалов получали из неметаллов, так как чистые металлы склонны к соединению: их атомы легко слипаются при первой возможности, образуя трехмерные структуры. Поэтому все предыдущие попытки ученых подготовить лист золота в один атомный слой представляли собой борьбу с «желанием» металла слипнуться с самим собой и с другими листами, и потерпели поражение.

Реагент Мураками

Как же шведским ученым удалось победить эту природу? Они использовали технологию японских кузнецов, которой более ста лет. Конечно, ее пришлось адаптировать.

Сначала команда использовала электропроводящую керамику — карбид кремния-титана, который покрывали золотом. Затем под действием высокой температуры частицы металла проникали внутрь и заменяли собой слой кремния, создавая золотой лист. Однако он оставался зажат между титаном и углеродом. Ученые несколько лет не знали, как выделить двухмерное золото из полученного карбида золота-титана. Да так, чтобы оно при этом не «слиплось» обратно в 3D-частицы.

Пока однажды один из соавторов не наткнулся на старинный японский метод искусства ковки: кузнецы использовали так называемый реагент Мураками, чтобы вытравливать остатки углерода из стали. Благодаря чему можно было, например, менять цвет металла при изготовлении ножей.

Команде пришлось модифицировать рецепт химического травителя: испытывали разные концентрации, условия (свет и темнота), добавляли поверхностные вещества от скручивания листов. В результате ученым удалось «отшелушить» все окружающие вещества и получить нетронутым лист чистого двухмерного золота, который остается стабильным, — гольден.

6 атомов вместо 12

«Особые свойства гольдена обусловлены тем, что каждый атом золота имеет только шесть соседних атомов по сравнению с двенадцатью в трехмерном кристалле. Благодаря этому будущие приложения могут включать конверсию диоксида углерода, катализ с образованием водорода, селективное производство химикатов, водорода, очистку воды, связь и многое другое», — сообщает пресс-служба Линчепингского университета.

Помимо применения в сверхбыстрой электронике, фотонике, в качестве катализатора гольден будет очень выгоден. Так как в ускорении химических реакций задействуется только верхний слой золота, то все «нижние» атомы драгоценного металла лишь делают процесс дороже. Максимально возможная площадь поверхности у гольдена делает его идеальным экономным вариантом: работать будет каждый атом, говорят эксперты.

В настоящее время создатели гольдена продолжают усовершенствовать метод, чтобы его можно было применить для разработки других новейших 2D-материалов. Следующим, по словам авторов, может стать получение тончайших листов из атомов серебра.