Золото, пуля, спасительный яд

Золото также очень любимо популяризаторами нанотехнологий. Золото на слуху и известно всем, это вам не какой-нибудь экзотический арсенид галлия (который, между нами говоря, для современной техники в целом и нанотехнологий в частности поважнее золота). Кроме того, на примере золота чрезвычайно удобно объяснять основные принципы нанотехнологий. Действительно, при переходе от массивного золота к наночастицам мы наблюдаем кардинальное изменение свойств: на несколько сотен градусов уменьшается температура плавления, изменяются оптические характеристики вещества, а именно – цвет и его химические свойства – “благородное” золото превращается в довольно активный металл. Все это яркие и убедительные примеры возникновения новых качеств при переходе на наноуровень, проявления необычных и неожиданных свойств нанообъектов. После этого можно плавно перейти к рассказу о нанотехнологической революции.

Но вот о чем популяризаторы частенько забывают сказать: что все это давным-давно известно и “неожиданные” свойства наночастиц давно являются для специалистов, в первую очередь химиков, прописной истиной. Я вам попытаюсь объяснить все это на пальцах. Только пойдем мы к наночастицам не от массивного металла, а от атомов, так намного понятнее. К тому же это больше соответствует реальности. Ведь как получал золи золота Фарадей и как их продолжают получать в наше время? Ионы золота в растворе восстанавливают до атомов, которые затем самоорганизуются в наночастицу металла.

Возможно, для вас станет откровением, что атом золота – очень активная частица. Это общее свойство всех атомов, за исключением атомов инертных газов. Атомы способны пребывать в одиночестве только в вакууме или при очень низкой температуре, во всех остальных условиях они норовят вступить во взаимодействие с другими веществами окружающей среды или слипнуться с себе подобными, в этом смысле их поведение мало отличается от нашего. В школе об этом не рассказывают, не из злонамеренности, а за ненадобностью. Ведь химики имеют дело с веществом, с молекулами, атомы как химические реагенты стали использовать в технологиях сравнительно недавно, в конце 1960-х годов и для довольно экзотических целей. Чего об этом говорить?

При взаимодействии между двумя атомами образуется химическая связь, при этом выделяется энергия, соответственно энергия атомов уменьшается, они становятся “спокойнее”, как люди при вступлении в брак. Запомним это и начнем мысленно собирать наночастицу из атомов. Для этого возьмем один атом золота и облепим его со всех сторон слоем других атомов. Если мы сделаем это достаточно аккуратно и максимально плотно, то в этом слое окажется 12 атомов. Размер атома золота – 0,286 нм, таким образом, полученная нами частица имеет размер 0,86 нм, из 13 составляющих ее атомов 12, или 92,3 %, находятся на поверхности. Будем продолжать эту операцию. Когда мы нарастим третий слой, размер частицы достигнет 2 нм, общее число атомов составит 147, а доля атомов, находящихся на поверхности (во внешнем слое), – 62,6 %. На пятом слое эти величины составят, соответственно, 3 нм, 561 атом и 45 %, на сотом – 29 нм, 3 миллиона атомов и 3 %. Какова форма этих частиц? Интуитивно кажется, что она должна быть сферической, но на самом деле уже после нанесения пяти плотных слоев атомов частица приобретает форму сложного многогранника, называемого икосаэдром и составленного из двадцати правильных треугольников, – поразительно красивая структура, один из примеров идеальных Платоновых тел.

А что у нас при этом происходит с энергией атомов? Понятно, что наименьшей энергией обладают атомы, находящиеся во внутренних слоях частицы. Каждый такой атом находится в плотном окружении своих собратьев, он тих и смирен, ему некуда стремиться, все, что ему остается, это тихо колебаться в унисон с ближайшим окружением и вносить свою лепту в общую работу, например отдавать свой электрон для обеспечения электропроводности.

Атомы, находящие во внешнем слое, имеют меньше связей с соседями, чем внутренние, и они, соответственно, обладают большей энергией. Перед ними лежит открытый мир, и они рвутся туда, пытаясь разорвать связи с частицей. И еще они открыты влиянию окружающей среды, они, пусть и в меньшей степени, чем свободные атомы, стремятся вступить во взаимодействие с каким-нибудь компонентом внешней среды. Как мы видели, доля поверхностных атомов в составе наночастицы очень высока и поэтому именно они определяют реакционную способность наночастицы, которая закономерно уменьшается при переходе от сверхактивных атомов к массивному куску металла. С этой точки зрения ничего неожиданного в свойствах наночастиц нет. Наоборот, было бы крайне удивительно, если бы их свойства не отличались от массивных образцов.