Altının Dünya'daki en değerli metallerden biri olmasının pek çok geçerli sebebi var. Bunların başında, göz kamaştıran parlaklığı gelir. Diğer birçok metalin aksine altın, paslanmaya, kararmaya ve korozyona karşı son derece dayanıklıdır. Bugün olduğu gibi binlerce yıl sonra da parlak sarı rengini koruyacaktır.
Bu özelliğe kimyasal asal (noble) denir, yani elementin reaktivitesinin düşük olması anlamına gelir. Altın, bilinen tüm metaller arasında en asil olanıdır. Oksijen gibi maddelerle kolay kolay reaksiyona girmez. Oksijen, diğer metallerin yüzeyindeki atomlarla bağ kurarak pas veya kararma oluşturan bir elementtir.
Şimdi, bilgisayar kimyagerleri Santu Biswas ve Matthew M. Montemore, altının neden paslanmadığının sırrını keşfetti.
Araştırmalarına göre, altının yüzeyindeki atomların dizilimi o kadar sıkı bir desen oluşturuyor ki, aksi takdirde etkileşime girecek olan oksijen molekülü, oksidasyonu tetikleyecek kadar kolay ayrılamıyor.
Bu deseni biraz gevşetirsek, altın paslanmaya karşı çok daha savunmasız hale gelebilir. Ancak bu durum, aslında iyi bir gelişme de olabilir.
Kimyada, oksijen aktivasyonu diğer tepkimelerin gerçekleşmesini sağlayan önemli bir adımdır. Örneğin, karbonmonoksiti karbondioksite dönüştürmek için, CO'ya bağlanarak onu CO₂ yapan serbest, reaktif bir oksijen atomuna ihtiyaç duyarız.
Bunu yapmak için bilim insanları, molekülü iki yüksek derecede reaktif oksijen atomuna ayırmaya yardımcı olan bir metal yüzey kullanarak oksijeni 'aktive' edebilirler.
Altın, bu tepkime için özellikle istenen bir katalizör olacaktır çünkü çok inerttir; yani diğer atomlar veya moleküllerle güçlü bir şekilde reaksiyona girmez. Bazı oksijen aktivasyon katalizörleri çok daha reaktiftir, bu da istenmeyen yan ürünler üretebilir veya katalizörün kendisi oksijene çok güçlü bağlanarak zamanla korozyona uğramasına neden olabilir.
Altının bu tür işler için zayıf bir aday olacağını düşünebilirsiniz. Ancak 1980'lerde bilim insanları şaşırtıcı bir keşif yaptı.
Yığın halindeki altın oksijen katalizi için uygun olmasa da, altın nano parçacıkları oksijeni aktive etmede şaşırtıcı derecede etkilidir.
Bu keşif, büyük bir soruyu gündeme getirdi: Altın oksijene bu kadar dirençliyse, bu minik parçacıklar oksidasyon tepkimelerini nasıl tetikleyebiliyor?
Yeni araştırma, cevabın atomların altın yüzeyindeki düzenlenme biçiminde yatıyor olabileceğini öne sürüyor.
Biswas ve Montemore, oksijen moleküllerinin farklı atom dizilimlerine sahip nanoscopic altın yüzeyleriyle temas ettiğinde ne olduğunu incelemek için bilgisayar simülasyonları kullandı. Özellikle iki farklı türde desen incelediler: Altının doğal olarak tercih ettiği, sıkıca paketlenmiş altıgen düzene oturan atomlardan oluşan 'yeniden yapılandırılmış' yüzeyler ve daha gevşek kare benzeri desenler oluşturan 'yeniden yapılandırılmamış' yüzeyler.
İki yüzey türü arasındaki fark dramatikti. Yeniden yapılandırılmış yüzeylerde, etkileşim beklendiği gibi gelişti. Oksijen molekülü, yığın altının söz konusu olduğu gerçek senaryolarda gözlemlendiği gibi kolayca iki oksijen atomuna ayrılamadı.
Yeniden yapılandırılmamış yüzeylerde ise durum çok farklıydı. Oksijen molekülleri oldukça kolay bir şekilde ayrıldı. Simülasyonlar, bunun nedeninin sıkıca paketlenmiş altıgen yüzeyde oksijen moleküllerinin kolayca ayrılabilecekleri yeterli alan bulamaması olduğunu gösteriyor. Kare desenlerin daha gevşek bir geometrisi var ve bu alanlar, oksijen moleküllerinin tutunup ayrılabilecekleri yeterli bir zemini çok daha kolay bulmasını sağlıyor.
Araştırmacılar, yeniden yapılandırılmamış yüzeylerde oksijen ayrışmasının, yeniden yapılandırılmış yüzeylere göre milyarlarca ila trilyonlarca kat daha kolay gerçekleştiğini buldu.
Bu durum, küçük altın parçacıklarının yığın altından neden bu kadar farklı davrandığını açıklamaya yardımcı olabilir. Küçük parçacıklar, büyük altın parçalarında görülen sıkıca paketlenmiş yeniden yapılandırılmış yüzeyleri tam olarak geliştirmeyebilir ve daha reaktif kare benzeri bölgeler açığa çıkabilir.
Yığın altındaki yüzey atomlarının sıkı düzenlemesi, oksidasyona direnç göstermek için tasarlanmış değildir; bu sadece metalin en kararlı konfigürasyonudur. Korozyon direnci sadece bunun harika bir yan etkisidir.
Yeni bulgular, bilim insanlarının korozyon direnci ile verimli oksijen aktivasyonunu dengeleyen altın katalizörler tasarlamasına yardımcı olabilir.
Araştırmacılar, "Bu bulgu, altının neden oksijene karşı bu kadar inert olduğunu anlamak için yeni bir bakış açısı sağlıyor ve kare veya dikdörtgen yapılarla yüzeyler oluşturmanın, altın üzerindeki oksidasyon tepkimeleri için katalitik aktiviteyi önemli ölçüde artırabileceğini gösteriyor." diye yazıyorlar. "Sonuçlarımız, yeniden yapılanmayı en aza indiren veya kare benzeri motifleri stabilize ederek oksijen aktivasyonunu artıran altın bazlı katalizörler tasarlamak için yeni bir strateji sunuyor."
Bulgular, Physical Review Letters dergisinde yayınlandı.
