На протяжении веков мастера-ювелиры стремились придать золоту более изящные формы. Наконец, благодаря применению современной химии, удалось создать материал, состоящий из одного атомного слоя, который невозможно сделать еще тоньше.
Исследование, опубликованное в журнале Nature Synthesis, представило этот новый двухмерный материал, названный "золотым", в соответствии с установленными наименованиями в области материаловедения. Этот материал обладает уникальными свойствами, отличными от трёхмерной формы золота.
"Как только материал становится крайне тонким, происходит нечто удивительное, аналогичное графену," — поясняет ученый-материаловед Шун Кашивайя из Университета Линчёпинга в Швеции. "Это относится и к золоту. Обычно золото — металл, но если его толщина составляет всего один атом, оно приобретает полупроводниковые свойства".
Превращение золота в двухмерную форму представляет собой сложную задачу из-за его склонности к склеиванию. Предыдущие попытки приводили к созданию либо тонких листов из нескольких атомов, либо к монослою, запертому между другими материалами, что делало его недоступным для извлечения.
Кашивайя и его коллеги не стремились создать монослойное золото, но наткнулись на этот процесс случайно.
"Мы создали базовый материал с совершенно другими целями," — говорит физик-материаловед Ларс Хультман из Университета Линчёпинга. "Мы начали с использования электропроводящей керамики под названием "титан-карбид кремния", где кремний присутствует в тонких слоях. Затем мы добавили слой золота для обеспечения электрического контакта. Однако когда мы подвергли компонент высокой температуре, слой кремния был заменен золотом внутри основного материала".
Все шло хорошо, но, как и в предыдущих попытках, прогресс остановился на этапе формирования монослоя. В течение нескольких лет созданный командой монослой золота оставался недоступным для извлечения из-за проблем с окружающими его слоями титана и углерода.
Тут на помощь пришла техника, основанная на применении травильного раствора, известного как реактив Мураками.
Реактив Мураками представляет собой смесь химических веществ, используемых в металлообработке для травления углерода и окрашивания стали, что создает узоры, аналогичные тем, что можно увидеть на некоторых японских ножах.
Исследователи экспериментировали с разными концентрациями смеси и временными рамками процесса травления, чтобы удалить титан и углерод, окружающие золото. Чем дольше процесс, тем лучше результат, однако для этого было необходимо выполнить еще несколько условий.
Процесс травления с реактивом Мураками приводит к образованию побочного продукта — ферроцианида калия. При воздействии света это соединение выделяет цианид, который растворяет золото, поэтому весь процесс травления пришлось проводить в полной темноте.
Наконец, чтобы предотвратить скручивание и склеивание тонкого слоя золота, было добавлено поверхностно-активное вещество, которое сохраняло его интегритет.
Анализ показал, что благодаря этим усилиям удалось создать стабильный монослой золота, что соответствовало теоретическим моделям.
Обычно золото хорошо проводит электричество. Однако, когда оно принимает форму двухмерного листа, его атомы обретают дополнительные свойства, делая его полупроводником с проводящими характеристиками между проводником и изолятором.
Эти свойства могут быть полезны в различных областях, таких как очистка воды, связь и химическое производство, что открывает новые перспективы использования этого материала.