För första gången har forskare lyckats skapa ark av guld som bara är ett enda atomlager tjockt. Materialet har kallats gyllene. Enligt forskare från Linköpings universitet har detta gett guldet nya egenskaper som kan göra det lämpligt för användning i applikationer som koldioxidomvandling, väteproduktion och produktion av förädlade kemikalier. Deras resultat publiceras i tidskriften Nature Synthesis .
Forskare har länge försökt att göra enatomtjocka ark av guld men misslyckats eftersom metallen har en tendens att klumpa ihop sig. Men forskare från Linköpings universitet har nu lyckats tack vare en hundra år gammal metod som används av japanska smeder.
"Om du gör ett material extremt tunt händer något extraordinärt - som med grafen. Samma sak händer med guld. Som du vet är guld vanligtvis en metall, men om det är enatomlager tjockt kan guldet istället bli en halvledare ," säger Shun Kashiwaya, forskare vid materialdesignavdelningen vid Linköpings universitet.
För att skapa goldene använde forskarna ett tredimensionellt basmaterial där guld är inbäddat mellan lager av titan och kol. Men att komma på goldene visade sig vara en utmaning. Enligt Lars Hultman, professor i tunnfilmsfysik vid Linköpings universitet, beror en del av framstegen på serendipity.
"Vi hade skapat grundmaterialet med helt andra applikationer i åtanke. Vi började med en elektriskt ledande keramik som heter titankiselkarbid, där kisel är i tunna lager. Sedan var tanken att belägga materialet med guld för att få en kontakt. Men när vi utsatte komponenten för hög temperatur, kiselskiktet ersattes av guld inuti basmaterialet, säger Lars Hultman.
Detta fenomen kallas interkalering och det som forskarna hade upptäckt var titanguldkarbid. I flera år har forskarna haft titanguldkarbid utan att veta hur guldet kan exfolieras eller pannas ut så att säga.
Av en slump hittade Lars Hultman en metod som har använts inom japansk smideskonst i över hundra år. Det kallas Murakamis reagens, som etsar bort kolrester och ändrar färgen på stål vid till exempel knivtillverkning. Men det gick inte att använda exakt samma recept som smederna gjorde. Kashiwaya var tvungen att titta på ändringar.
"Jag provade olika koncentrationer av Murakamis reagens och olika tidsperioder för etsning. En dag, en vecka, en månad, flera månader. Det vi märkte var att ju lägre koncentration och ju längre etsningsprocessen var, desto bättre. Men det var ändå inte inte tillräckligt", säger han.
Etsningen måste också utföras i mörker eftersom cyanid utvecklas i reaktionen när den träffas av ljus och den löser upp guld. Sista steget var att få guldplåtarna stabila. För att förhindra att de exponerade tvådimensionella arken krullas ihop tillsattes ett ytaktivt ämne. I det här fallet en lång molekyl som separerar och stabiliserar arken, dvs en tensid.
"De gyllene arken är i en lösning, lite som majsflingor i mjölk. Med hjälp av en typ av "sil" kan vi samla guldet och undersöka det med ett elektronmikroskop för att bekräfta att vi har lyckats. Vilket vi har", säger Kashiwaya .
Goldenens nya egenskaper beror på att guldet har två fria bindningar när det är tvådimensionellt. Tack vare detta kan framtida tillämpningar omfatta koldioxidomvandling, vätegenererande katalys, selektiv produktion av förädlade kemikalier, väteproduktion, vattenrening, kommunikation och mycket mer. Dessutom kan mängden guld som används i applikationer idag minskas mycket.
Nästa steg för LiU-forskarna är att undersöka om det är möjligt att göra samma sak med andra ädelmetaller och identifiera ytterligare framtida tillämpningar.
Mer information: Syntes av golden bestående av enatomslager guld, Nature Synthesis (2024). DOI:10.1038/s44160-024-00518-4
Journalinformation: Natursyntes
Tillhandahålls av Linköpings universitet
