هناك عدة أسباب وجيهة لكون الذهب أحد هذه الأسباب المعادن الأكثر قيمة على الأرض.

ليس أقلها هو بريقها اللامع. على عكس العديد من المعادن الأخرى، فإن الذهب مقاوم للغاية للصدأ والتشوه والتآكل – وسوف يلمع باللون الأصفر الزاهي بعد آلاف السنين من الآن كما هو الحال اليوم.

تُعرف هذه الخاصية بالنبلاء الكيميائي، مما يعني أن العنصر لديه تفاعل منخفض.

الذهب هو أنبل من بين جميع المعادن المعروفة – لا يتفاعل بسهولة مع مواد مثل الأكسجين الذي يرتبط بالذرات الموجودة على الطبقات السطحية للمعادن الأخرى لتكوين الصدأ أو التشويه.

والآن، اكتشف الكيميائيان الحسابيان سانتو بيسواس وماثيو إم مونتيمور من جامعة تولين في الولايات المتحدة السبب وراء ذلك.

وفقا لأبحاثهم، ترتيب الذرات على سطح الذهب يشكل نمطًا محكمًا للغاية بحيث لا يمكن لجزيء الديوكسجين الذي قد يتفاعل معه أن يتفكك بسهولة بما يكفي لتحفيز الأكسدة.

إذا قمت بفك هذا النمط قليلًا، فقد يصبح الذهب أكثر عرضة للصدأ بشكل كبير – لكن هذا قد يكون أمرًا جيدًا في الواقع.

في الكيمياء، يعد تنشيط الأكسجين خطوة مهمة تسمح بحدوث تفاعلات أخرى. على سبيل المثال، لتحويل أول أكسيد الكربون إلى ثاني أكسيد الكربون، تحتاج إلى ذرة أكسجين حرة ومتفاعلة يمكنها الارتباط بثاني أكسيد الكربون لتكوين ثاني أكسيد الكربون₂.

وللقيام بذلك، يمكن للعلماء “تنشيط” ثنائي الأكسجين باستخدام سطح معدني يساعد على تقسيم الجزيء إلى ذرتين أكسجين شديدي التفاعل.

صورة بالمجهر الإلكتروني النافذ لجسيمات الذهب النانوية. (فيونان / ويكيميديا ​​​​كومنز, سي سي بي-سا 4.0)

سيكون الذهب محفزًا مرغوبًا فيه بشكل خاص لهذا التفاعل لأنه خامل جدًا، أي أنه لا يتفاعل بقوة مع الذرات أو الجزيئات الأخرى.

تكون بعض محفزات تنشيط الأكسجين أكثر تفاعلية، مما قد يؤدي إلى توليد منتجات ثانوية غير مرغوب فيها، أو أن المحفز نفسه يرتبط بقوة بالأكسجين ويتآكل بمرور الوقت.

قد تظن أن الذهب سيكون مرشحًا ضعيفًا لهذا النوع من العمل، لكن في الثمانينيات، توصل العلماء إلى اكتشاف صادم.

على الرغم من أن كميات الذهب غير مناسبة لتحفيز الأكسجين، إلا أن جسيمات الذهب النانوية مناسبة لذلك فعالة بشكل مدهش في تفعيل الأكسجين.

أثار هذا الاكتشاف سؤالا كبيرا.

إذا كان الذهب يقاوم الأكسجين بهذه القوة، فكيف يمكن لهذه الجزيئات الصغيرة أن تؤدي إلى تفاعلات الأكسدة على الإطلاق؟

يشير البحث الجديد إلى أن الإجابة قد تكمن في الطريقة التي يتم بها ترتيب الذرات على سطح الذهب.

عرض ثلاثي الأبعاد لجسيمات الذهب النانوية. (باتريك فيليب/ آي ستوك / غيتي إيماجز بلس)

استخدم بيسواس ومونتمور عمليات المحاكاة الحاسوبية لدراسة ما يحدث عندما تتلامس جزيئات الأكسجين مع الأسطح الذهبية النانوية ذات الترتيبات المختلفة للذرات.

وعلى وجه الخصوص، درسوا نوعين مختلفين من الأنماط: الأسطح “المعاد بناؤها”، حيث تستقر الذرات في الترتيب السداسي المحكم الذي يفضله الذهب بشكل طبيعي؛ والأسطح “غير المعاد بناؤها”، والتي تشكل أنماطًا مربعة الشكل أكثر مرونة.

كان الفرق بين نوعي السطح كبيرًا.

على الأسطح المعاد بناؤها، تم التفاعل تمامًا كما كان متوقعًا. لم يكن جزيء الأكسجين قادرًا على الانقسام بسهولة إلى ذرتي أكسجين، كما لوحظ في السيناريوهات الحقيقية التي تتضمن كميات كبيرة من الذهب.

رسم تخطيطي يوضح الاختلافات بين السطحين، حيث يكون المربع على اليسار والسداسي على اليمين. (بيسواس ومونتمور، فيز. القس ليت.، 2026)

على الأسطح التي لم يتم إعادة بنائها، كان السيناريو مختلفًا للغاية. تنقسم جزيئات الأكسجين بسهولة تامة.

تشير عمليات المحاكاة إلى أن السبب في ذلك هو أن جزيئات الأكسجين، على السطح السداسي المحكم، لم تتمكن من العثور على مساحة كافية للتفكك بسهولة.

تتميز الأنماط المربعة بهندسة أكثر مرونة مع تلك المساحة المدمجة، ويمكن لجزيئات الأكسجين أن تجد بسهولة أكبر مساحة كافية للانقسام.

كم هو أكثر سهولة؟ وجد الباحثون العديد من الرتب من حيث الحجم. حدث تفكك الأكسجين بسهولة أكبر بمليارات إلى تريليونات المرات على الأسطح غير المعاد بناؤها مقارنة بالأسطح المعاد بناؤها.

قد يساعد هذا في تفسير سبب اختلاف سلوك جزيئات الذهب النانوية الصغيرة عن الذهب السائب. قد لا تعمل الجزيئات الصغيرة على تطوير الأسطح المُعاد بناؤها والمتماسكة بشكل كامل والتي تظهر في القطع الأكبر من الذهب، مما يترك المزيد من المناطق الشبيهة بالمربع التفاعلية مكشوفة.

إن الترتيب المحكم للذرات السطحية على الذهب السائب ليس بالضرورة مصممًا لمقاومة الأكسدة؛ إنه مجرد التكوين الأكثر استقرارًا للمعدن. مقاومة التآكل هي مجرد أثر جانبي رائع لذلك.

متعلق ب: يختبئ مصدر كبير للهيدروجين الطبيعي في الصخور الكندية القديمة

يمكن أن تساعد النتائج الجديدة العلماء في هندسة محفزات الذهب التي توازن مقاومة التآكل مع تنشيط الأكسجين بكفاءة.

“يوفر هذا فهمًا جديدًا لسبب كون الذهب خاملًا للغاية تجاه ثنائي الأكسجين، ويشير إلى أن إنشاء أسطح ذات هياكل مربعة أو مستطيلة قد يحسن بشكل كبير النشاط التحفيزي لتفاعلات الأكسدة على الذهب.” يكتب الباحثون.

“توفر نتائجنا استراتيجية جديدة لتصميم محفزات قائمة على الذهب تقلل من إعادة البناء أو تثبت الزخارف المربعة لتعزيز تنشيط الديوكسجين.”

وقد تم نشر النتائج في رسائل المراجعة البدنية.

إقرأ المزيد