نازک‌ترین ورق طلای جهان فقط یک اتم ضخامت دارد

دانشمندان نازک‌ترین ورق طلای جهان را با ضخامت فقط یک اتم ساخته‌اند. این ماده‌ی‌ جدید که «گلدن» نامیده می‌شود، می‌تواند کاربردهای مهمی در تبدیل کربن‌دی‌اکسید و تولید هیدروژن داشته باشد.

پژوهشگرها برای ساخت گلدن از تکنیکی ۱۰۰ ساله استفاده کردند که آهنگرهای ژاپنی برای جداسازی لایه‌های تکی این فلز باارزش به‌کار می‌بردند. دانشمندان به دلیل خواص نوری، الکترونیکی و کاتالیزوری غیرمعمول مواد دوبعدی، علاقه‌ای خاص به آن‌ها دارند.

مساحت سطح بسیار بالای مواد دوبعدی نسبت به حجمشان به معنی رفتار متفاوت آن‌ها نسبت به جامدهای حجیم با ترکیب شیمیایی یکسان است. از زمان کشف گرافن در سال ۲۰۰۴، نمونه‌های متعددی از مواد دوبعدی گزارش شده‌اند. با این‌حال بیشتر این مواد از غیرفلزات یا ترکیب‌های مخلوط تهیه می‌شوند و ساخت ورقه‌های تک‌اتمی از فلزهای خالص بسیار چالش‌برانگیزتر است.

مایکل یونگ، شیمی‌دان حالت جامد در دانشگاه آلبانی، به لایوساینس می‌گوید:

از آنجایی که پیوند در فلزات نامتمرکز است، آن‌ها به راحتی با خود پیوند برقرار می‌کنند و کلوخه می‌شوند. آماده‌سازی تک‌لایه دستاورد بزرگی است؛ زیرا باید با تمایل فلز به پیوند نه‌تنها با خود، بلکه با سایر ورق‌ها مقابله کنید.

تلاش‌های قبلی برای ساخت طلای دوبعدی با مشکل مواجه شده بود. تیم‌های متعدد لایه‌ی منفرد از اتم‌های طلا را ساخته‌اند که درون جامدی نگهدارنده مثل سیلیسیم کاربید با پوشش گرافن جاسازی شده است. در این ساختار ساندویچ‌مانند، گرافن مانند نان و طلا مانند گوشت عمل می‌کند؛ اما استخراج گلدن از این جامد‌های چندلایه‌ی پیچیده مشکل‌ساز بود، به طوری که اتم‌های طلا با حذف پشتیبان به شکل نانو‌ذرات لخته می‌شدند.

شان کاشیوایا، استادیار دانشکده‌ی فیزیک، شیمی و زیست‌شناسی در دانشگاه لینکوپینگ و همکارانش شیوه‌ای جدید را در پیش گرفتند و با موفقیت ورقه‌های گلدن را برای اولین بار جدا کردند. آن‌ها کار خود را با ساخت یک ساختار لایه‌ای از تیتانیوم، سیلیسیم و کربن شروع کردند و سپس آن را با لایه‌ای از طلا پوشاندند. طی ۱۲ ساعت، ذرات طلا در ماده توزیع شد و لایه‌ی سیلیسیمی را با طلا جایگزین کرد و در نهایت یک ورقه‌ی گلدن را در داخل ماده جامد به‌وجود آورد. بااین‌حال، پژوهشگران به جای تلاش برای حذف لایه‌ی طلا، تمام جامدات اطراف آن را با دقت زدودند و در نهایت ورق طلا را بدون آسیب به جا گذاشتند.

وقتی لارس هالتمن، استاد دانشکده‌ی فیزیک، شیمی و زیست‌شناسی دانشگاه لینکوپینگ و یکی از نویسندگان مطالعه درحال تحقیق در مورد زداینده‌های شیمیایی بود، تکنیک جدید کشف شد. هالتمن روش ۱۰۰ ساله‌ای را پیدا کرد که آهنگرهای ژاپنی برای حذف بقایای کربن از فولاد به کار می‌برند. این محلول که واکنشگر موراکامی یا پتاسیم فری‌سیانید قلیایی نامیده می‌شود، بدون تاثیر بر ورق گلدن، نگهدارنده‌ی کاربید تیتانیومی اطراف را از بین می‌برد.

پژوهشگرها برای تکمیل روش، شرایط واکنش مختلف و غلظت‌های متفاوت محلول زداینده را آزمایش کردند. مهم‌تر از همه، آن‌ها دریافتند که افزودن سیستئین به عنوان سورفکتانت یا ماده‌ای شیمیایی که کشش سطحی مایع را کاهش می‌دهد، ورقه‌های جداشده را تثبیت و از خوشه‌بندی و ترکیب اتم‌های طلا به نانوذرات ممانعت می‌کند.

ورقه‌های گلدن که فاقد نگهدارنده هستند، تا ۱۰۰ نانومتر طول دارند و ضخامتشان صدها برابر کمتر از ورقه‌های معمولی طلا است. کاشیوایا و هالتمن باور دارند که گلدن به دلیل واکنش‌پذیری شیمیایی بهبود‌یافته می‌تواند کاربردهای مهمی در واکنش‌ها برای تبدیل کربن‌دی‌اکسید به سوخت‌هایی مثل اتانول و متان و تبدیل آب به هیدروژن داشته باشد. آن‌ها هم‌اکنون در حال بررسی بهبود روش سنتز هستند.

کاشیوایا می‌گوید: «هدف ما بررسی خواص فیزیکی و شیمیایی بنیادین گلدن و توسعه‌ی بیشتر فرآیند سنتز برای افزایش مساحت و بازدهی ورق گلدن است. ما همچنین به دنبال پیاده‌سازی این رویکرد برای تولید سایر مواد دوبعدی فراتر از گلدن هستیم.»

یونگ به‌ویژه به تهیه‌ی مواد دوبعدی جدید با روش جدید علاقه‌مند است. او می‌گوید قابلیت زدودن انتخابی یک ماده‌ی پایدار به این معنی است که می‌توان مواد جدیدی را با این روش تولید کرد. گام بعدی می‌تواند ساخت لایه‌ی نقره با استفاده از آلومینیوم اکسید به‌عنوان پایه باشد.

یافته‌های پژوهشگران ۱۶ آوریل در نشریه Nature Synthesis منتشر شد.