Золото, пуля, спасительный яд

Своей повышенной активностью поверхностные атомы оказывают влияние и на соседей, в том числе тех, которые находятся в следующем, внутреннем, слое, а те, с сильным затуханием, передают его все дальше вглубь. Если размер частицы невелик, то свойства даже внутренних атомов будут отличаться от свойств атомов, находящихся в массивном куске золота. Для того чтобы заставить все эти атомы двигаться поактивнее, чтобы разрушить их идеальный порядок, достаточно сообщить им довольно мало энергии, именно поэтому температура плавления коллоидного золота намного ниже температуры плавления массивного образца.

Почему при изменении размера наночастиц меняется их цвет? Боюсь, что это объяснить на пальцах я не смогу, а всякие мудреные формулы мы с вами договорились не использовать. Будем воспринимать цвет как данность, именно так испокон века поступали химики. У них вообще свой взгляд на мир и на те же наночастицы. Для них частицы, состоящие из тринадцати или пятидесяти пяти атомов золота, – разные химические соединения, а каждое соединение обладает своими свойствами, и в частности цветом. С этой точки зрения говорить о необычности свойств довольно бессмысленно, ибо что есть обычность?

Следуя этой логике, признаем, что цвет и другие свойства наночастиц возникают в процессе их образования и что они существенно отличаются от свойств как изолированных атомов, так и массивных образцов. И здесь Природа, несомненно, приготовила для нас множество сюрпризов, задача ученых – разглядеть их и научиться использовать для нашей общей пользы.

Об одном таком сюрпризе мой следующий рассказ. Золото – элемент уникальный во многих отношениях. В частности, оно не обладает каталитической активностью ни в какой форме – массивных образцов, комплексных соединений, содержащих один или несколько атомов золота, или ионов. Это тем более удивительно, что платиновые металлы, соседи золота по Периодической таблице и столь же благородные, относятся к числу наиболее активных катализаторов с широчайшим спектром действия. Как бы то ни было, в середине прошлого века тезис о неактивности золота вошел в учебники и научные монографии и утвердился настолько, что никому в голову не приходило проводить работы в этом направлении.

И вот в конце 1980-х годов японский исследователь Масатаке Харута рискнул (другого слова не подобрать для этого казавшегося безнадежным предприятия) применить золото для окисления оксида углерода. Для этого он использовал наночастицы золота, образующиеся при самопроизвольной ассоциации атомов золота на поверхности диоксида титана и имеющие форму оладий. Каталитическая активность наночастиц была нулевой вплоть до размера 4 нм. Но при размере 3,5 нм происходил резкий взлет и при 3 нм золото превосходило по активности даже платину. Однако при уменьшении размера такой наночастицы до 2,5 нм активность падала в 5 раз. Если вспомнить, что размер атома золота составляет 0,286 нм, становится очевидным, что все эти драматические изменения в свойствах происходят при добавлении или удалении слоя толщиной в один-два атома. Харута обнаружил еще одно неожиданное свойство изученных им наночастиц золота. При их толщине в три и более атомов они проявляли привычные металлические свойства. Но при меньшей толщине золото – один из лучших проводников электрического тока – превращалось в… диэлектрик.

После публикаций Харуты начался бум исследований каталитических свойств наночастиц золота, спектр которых оказался почти так же широк, как у платины. В настоящее время проводятся большие международные конференции, целиком посвященные катализаторам на основе золота.

Открытие Харута сделал выдающееся, за него могут и Нобелевскую премию дать, но, с другой стороны, немного курьезное. Как мы помним, все нанесенные металлические катализаторы, давно используемые в промышленности, представляют собой наночастицы. Но золото все это заслонило просто по причине новизны и массы публикаций. Ученые в своих лекциях часто апеллируют к золотым катализаторам, потому что их изучение проводится с использованием экспериментальной техники, недоступной исследователям даже недавнего прошлого, золото предоставляет хороший иллюстративный материал – “картинки”.