חוקרים מפתחים "גולדן" – צורה חדשה של זהב דק במיוחד עם תכונות מוליכים למחצה

בפעם הראשונה, מדענים הצליחו ליצור גיליונות זהב רק אחד אָטוֹם שכבה עבה. החומר כונה זהוב. לדברי חוקרים מאוניברסיטת לינקופינג, שבדיה, זה העניק לזהב תכונות חדשות שיכולות להפוך אותו למתאים לשימוש ביישומים כמו המרת פחמן דו חמצני, ייצור מימן וייצור כימיקלים בעלי ערך מוסף. הממצאים שלהם מתפרסמים בכתב העת סינתזה של הטבע.

מדענים ניסו זמן רב לייצר יריעות זהב בעובי אטום בודד אך נכשלו בגלל נטייתה של המתכת להתגבש יחד. אבל חוקרים מאוניברסיטת לינקופינג הצליחו כעת הודות לשיטה בת מאה שנה שבה השתמשו צורפים יפנים.

"אם אתה עושה חומר דק במיוחד, משהו יוצא דופן קורה – כמו עם גרפן. אותו דבר קורה עם זהב. כידוע, זהב הוא בדרך כלל מתכת, אבל אם הוא עבה בשכבה בודדת, הזהב יכול להפוך למוליכים למחצה במקום זאת", אומר Shun Kashiwaya, חוקר בחטיבת עיצוב חומרים באוניברסיטת לינקופינג.

היצירה של גולדן

כדי ליצור גולדן, החוקרים השתמשו בחומר בסיס תלת מימדי שבו זהב מוטבע בין שכבות של טיטניום ופחמן. אבל להמציא את זהב הוכיח את עצמו כאתגר. לדברי לארס הולטמן, פרופסור לפיזיקת סרטים דקים באוניברסיטת לינקופינג, חלק מההתקדמות נובע מסרנדיפידיות.

"יצרנו את חומר הבסיס מתוך מחשבה על יישומים שונים לחלוטין. התחלנו עם קרמיקה מוליכה חשמלית בשם טיטניום סיליקון קרביד, כאשר הסיליקון נמצא בשכבות דקות. ואז הרעיון היה לצפות את החומר בזהב כדי ליצור מגע. אבל כאשר חשפנו את הרכיב לטמפרטורה גבוהה, שכבת הסיליקון הוחלפה בזהב בתוך חומר הבסיס", אומר לארס הולטמן.

אינטרקלציה וגילוי

תופעה זו נקראת intercalation ומה שהחוקרים גילו היה קרביד טיטניום זהב. במשך כמה שנים, לחוקרים יש קרביד זהב טיטניום מבלי לדעת כיצד ניתן לקלף את הזהב או לסלק אותו, כביכול.

במקרה, לארס הולטמן מצא שיטה שנמצאת בשימוש באמנות הזיוף היפנית כבר למעלה ממאה שנים. זה נקרא הריאגנט של Murakami, אשר חורט שאריות פחמן ומשנה את צבע הפלדה בייצור סכינים, למשל. אבל לא ניתן היה להשתמש באותו מתכון בדיוק כמו הצורפים. Shun Kashiwaya היה צריך להסתכל על שינויים:

"ניסיתי ריכוזים שונים של הריאגנט של מורקמי וטווחי זמן שונים לחריטה. יום אחד, שבוע, חודש, כמה חודשים. מה ששמנו לב הוא שככל שהריכוז נמוך יותר ותהליך התחריט ארוך יותר, כך ייטב. אבל זה עדיין לא הספיק", הוא אומר.

ייצוב יריעות זהב

התחריט חייב להתבצע גם בחושך שכן ציאניד מתפתח בתגובה כאשר הוא נפגע מאור, והוא ממיס זהב. השלב האחרון היה להפוך את יריעות הזהב ליציבות. כדי למנוע מהיריעות הדו-ממדיות החשופות להתכרבל, הוסיפו חומר פעיל שטח. במקרה זה מולקולה ארוכה שמפרידה ומייצבת את היריעות, כלומר טנסייד.

"היריעות הזהובות נמצאות בתמיסה, קצת כמו קורנפלקס בחלב. באמצעות סוג של "מסננת", נוכל לאסוף את הזהב ולבחון אותו באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים כדי לאשר שהצלחנו. מה שיש לנו", אומר Shun Kashiwaya.

יישומים פוטנציאליים ומחקר עתידי

התכונות החדשות של גולדן נובעות מהעובדה שלזהב יש שני קשרים חופשיים כשהוא דו מימדי. הודות לכך, יישומים עתידיים יכולים לכלול המרת פחמן דו חמצני, קטליזה יוצרת מימן, ייצור סלקטיבי של כימיקלים בעלי ערך מוסף, ייצור מימן, טיהור מים, תקשורת ועוד ועוד. יתרה מכך, כמות הזהב המשמשת ביישומים כיום יכולה להיות מופחתת בהרבה.

השלב הבא של חוקרי ה-LiU הוא לחקור אם אפשר לעשות את אותו הדבר עם מתכות אצילות אחרות ולזהות יישומים עתידיים נוספים.