Химики синтезировали голден
Как графен, только из золота
Шведские химики получили голден — одиночные слои золота толщиной в один атом. Для синтеза они использовали двумерный карбид титана и золота, который подвергали травлению реагентом Мураками. В результате, как пишут ученые в Nature Synthesis, получались свободные монослои золота, которые удалось охарактеризовать с помощью электронной микроскопии.
Эта новость появилась на N + 1 при поддержке ежегодной Национальной премии в области будущих технологий «Вызов». В 2023 году ее присудили за ионный квантовый процессор, магниты из высокотемпературного сверхпроводника, вычислительные устройства на основе поляритонов и оптический транзистор, а также открытия, позволившие создать новые подходы для лечения заболеваний мозга
Двумерные наноматериалы часто отличаются по свойствам от своих трехмерных аналогов. Например, свойства двумерного графена и трехмерного графита, который используют в быту, сильно отличаются. В частности, у графена выше тепло- и электропроводность, он практически прозрачный, а по прочности превосходит алмаз. За последние десять лет графен стали применять в разных областях науки и техники — от изготовления транзисторов и биосенсоров до синтеза электрокатализаторов. Подробнее про применения графена можно прочитать в нашем тексте «Гетероструктурные меньшинства».
Химики под руководством Ларса Хультмана (Lars Hultman) из Линчёпингского университета получили еще один двумерный наноматериал — монослой из золота толщиной в один атом — и назвали его голден (по аналогии с графеном). Для синтеза ученые сначала приготовили двумерный материал с брутто-формулой Ti3SiC2, в котором чередуются слои из титана, кремния и углерода. Далее химики нагрели его с металлическим золотом и обнаружили, что слои кремния заменились на слои из атомов золота.
Чтобы выделить монослои золота в чистом виде, химики смешали полученный карбид с реагентом Мураками — смесью гидроксида калия и гексацианоферрата (III) калия, — который часто используют для травления. В результате титан и углерод окислились с образованием оксидов, а золото осталось нетронутым. Причем, как пишут авторы статьи, реакцию нужно было проводить в темноте, чтобы в реакционной смеси не выделялись цианид-ионы, способные растворять золото. Кроме того, в реакционную смесь химики заранее добавили сурфактанты цистеин и бромид цетилтриметиламмония, которые должны были стабилизировать золотую поверхность.
Образцы материала после травления химики исследовали с помощью растровой электронной микроскопии. Они обнаружили, что в реакции образовались монослои золота. И хотя некоторые из них слипались или загибались, часть оставалась в виде слоев толщиной в один атом. Расстояния между атомами золота в монослоях составляли около 2,62 ангстрема — на девять процентов меньше, чем у обычного кристаллического золота.
Далее ученые исследовали, как разные методики травления влияют на структуру конечного продукта. Они показали, что без сурфактантов вместо монослоев образуются золотые кластеры и наночастицы. А концентрация реагента Мураками должна быть небольшой — иначе он атакует слои золота, и их структура нарушается.
Таким образом, химики получили новую модификацию золота, в которой атомы собраны в слои минимально возможной толщины. Как отмечают исследователи в статье, наиболее важным фактором в их подходе был подбор исходного с достаточно большим расстоянием между слоями золота — таким, чтобы сурфактанты могли легко стабилизировать его в процессе травления.
Ранее мы рассказывали о том, как наночастицы золота использовали для катализа реакции восстановления воды. А о том, как и зачем получают двумерные материалы, в интервью N + 1 рассказал Юрий Гогоци.