החוקרים פענחו למה זהב כמעט לא משחיר

מה קורה?

מחקר שפורסם בכתב העת המדעי Physical Review Letters מספק הסבר חדש לאחת התכונות המזוהות ביותר עם זהב: היכולת שלו לשמור על ברק לאורך זמן כמעט בלי להשחיר. צוות מאוניברסיטת טוליין בארה"ב מצא כי העמידות של זהב בפני חמצון אינה תלויה רק בכך שהוא מתכת אצילה שמגיבה מעט יחסית עם חמצן, אלא גם במבנה האטומי של פני השטח שלו.

לפי החוקרים, בשני סוגים נפוצים של משטחי זהב, האטומים העליונים אינם נשארים במקומם המקורי. הם מסתדרים מחדש בתבניות יציבות יותר, וכך יוצרים בפועל מחסום שמקשה מאוד על מולקולות חמצן להתפרק ולהיקשר לזהב. מתיו מונטמור, פרופסור להנדסה כימית באוניברסיטה, אמר כי התפיסה המקובלת הייתה שזהב כמעט אינו משחיר פשוט מפני שהוא אינו יוצר אינטראקציה חזקה עם חמצן. לדבריו, הממצאים מראים שהאטומים על פני השטח עצמם תורמים להגנה הזאת באופן פעיל.

כדי לבחון את התהליך השתמשו מונטמור ועמיתו סנטו ביסוואס, חוקר פוסט-דוקטורט בהנדסה כימית וביו-מולקולרית, בהדמיות מחשב שבחנו כיצד אטומים ואלקטרונים מתנהגים כאשר חמצן פוגש משטחי זהב. מההדמיות עלה שאילו האטומים על פני השטח לא היו משנים את סידורם, לחמצן היה קל בהרבה להתפרק ולהגיב עם המתכת.

למה זה קורה?

חמצון של מתכת מתחיל בדרך כלל כאשר מולקולות חמצן מגיעות לפני השטח, מתפרקות לאטומים בודדים ונקשרות למתכת. זה המנגנון שמוביל בקצה התהליך להשחרה, קורוזיה או אובדן ברק. במקרה של זהב, המחקר מציע שקיים מנגנון בלימה טבעי: האטומים החשופים ביותר של המתכת משנים את הגיאומטריה של פני השטח לפני שהחמצן מספיק להגיב ביעילות.

לפי תוצאות החישובים, סידור האטומים מחדש מפחית את קצב התגובה עם חמצן בסדרי גודל קיצוניים במיוחד — בין פי מיליארד לפי טריליון. המשמעות המעשית היא שמבחינה אטומית, זהב יוצר לעצמו שכבת מגן שאינה ציפוי חיצוני אלא תוצאה של המבנה שלו עצמו. לכן הוא יכול להישאר מבריק במשך שנים רבות, ולעיתים לאורך מאות שנים, גם בלי לאבד את המראה האופייני שלו.

הנקודה הזאת חשובה משום שהיא משנה את האופן שבו מדענים מבינים "אינרטיות" כימית. במקום לראות בזהב חומר שפשוט אינו מגיב, המחקר מציג תמונה מורכבת יותר: יש תגובתיות פוטנציאלית, אך המבנה האטומי על פני השטח מדכא אותה ביעילות רבה.

מה ההיסטוריה?

זהב נחשב במשך אלפי שנים למתכת יוצאת דופן בזכות השילוב בין נדירות, מוליכות גבוהה ועמידות מרשימה בפני שחיקה והשחרה. זו גם הסיבה שהוא שימש לאורך ההיסטוריה במטבעות, תכשיטים, חפצי פולחן ובהמשך גם ברכיבים אלקטרוניים רגישים. בניגוד למתכות כמו ברזל, שמחליד בקלות, או כסף, שנוטה להשחיר, זהב נשאר יציב מאוד בסביבה רגילה.

בעולם הכימיה והחומרים התכונה הזאת תמיד הייתה גם יתרון וגם מגבלה. מצד אחד, היא הופכת את הזהב לחומר אמין במיוחד במוצרים שצריכים לשרוד זמן רב. מצד שני, אותה עמידות עצמה מקשה להשתמש בו במצבים שבהם דווקא רוצים שהחומר יזרז תגובות כימיות.

בשנים האחרונות נעשו ניסיונות לשפר זרזים מבוססי זהב באמצעות שילוב עם מתכות אחרות או שימוש בננו-חלקיקים של זהב על גבי תחמוצות. המחקר החדש מוסיף כעת נדבך אחר: ייתכן שלא רק ההרכב הכימי קובע, אלא גם הצורה המדויקת של פני השטח והאופן שבו האטומים מסודרים עליהם.

מה המשמעות?

לממצא יש ערך הסברי ברור לציבור הרחב — הוא מסביר מדוע תכשיטי זהב, מטבעות ופריטים היסטוריים שומרים על חזותם לאורך דורות. אבל החשיבות הגדולה יותר עשויה להיות תעשייתית. זרזים מבוססי זהב כבר נמצאים בשימוש בכמה תהליכי חמצון, בין היתר בייצור ויניל אצטט, חומר גלם מרכזי בתעשיית הפלסטיק, וכן במחקרים העוסקים בניקוי פחמן חד-חמצני מגזי פליטה ובייצור פרופילן אוקסיד.

מונטמור אמר כי אם מצליחים "לשכנע" את הזהב לפרק חמצן, הוא עשוי להפוך לזרז יעיל מאוד עבור תגובות מסוימות. לדבריו, התוצאה החדשה מצביעה על אסטרטגיה אפשרית: למנוע את סידור האטומים מחדש, או להפוך אותו, וכך להגדיל את התגובתיות של פני השטח כאשר יש בכך צורך.

במילים אחרות, אותה תכונה שמגינה על זהב מפני השחרה עלולה גם להגביל את ביצועיו הכימיים. הבנה טובה יותר של המנגנון הזה עשויה לאפשר בעתיד לתכנן חומרים מדויקים יותר — כאלה שישמרו על היתרונות של זהב, אך גם יפעלו ביעילות גבוהה יותר ביישומים של ייצור כימי ואנרגיה נקייה.