Золото — элемент 11 группы, шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 79. Обозначается символом Au . Простое вещество золото — благородный металл жёлтого цвета. Золото обладает прямой ГЦК решеткой (на рис.1a), параметр решетки - 4.0782 Å, обратной решеткой ОЦК (на рис.1б), параметр решетки – 1.5407*10101/м.
Рис.1. Прямаяa)и обратная б) решетки золота
Зона Бриллюэна — отображение ячейки Вигнера-Зейтца в обратном пространстве. В приближении волн Блохаволновая функция для периодического потенциала решётки твёрдого тела полностью описывается её поведением в первой зоне Бриллюэна.[2] Первая зона Бриллюэна показана на рис.2
Рис.2.Первая зона Бриллюэна.
Ферми поверхность (ФП) - изоэнергетическая поверхность в пространстве квазиимпульсов, отделяющая область занятых электронных состояний металла от области, в которой при Т = 0 К электронов нет. Электроны, расположенные на ФПи в узкой области пространства квазиимпульсов вблизи неё, ответственны за свойства металлов.
Рис.3.Поверхность Ферми[1].
Ферми поверхностьзолота показана на рис.1,всвязи с высокой концентрацией электронов проводимости в металле, уровни в зоне проводимости полностью заполнены. Для «газа свободных электронов» ФП – сфера. Объём, ограниченный ФП (приходящийся на 1 элементарную ячейку в пространстве квазиимпульсов), определяется концентрацией n электронов проводимости в металле:
Открытые полости определяют многие квантовые свойства металлов в магнитном поле (например, эффектде Хааза-Ван-Альфена).
Особый интерес представляют изменяющиеся свойства золота в зависимости от структуры (табл. 1).
Таблица1. Сравнительная таблица свойства для микро и наноструктуры.
|
Золото |
Микроструктура |
Наноструктура |
||
|
Температура плавления |
1064,18° C[3] |
2 нм |
327 ° C[4] |
|
|
10нм |
1037.18° C |
|||
|
Плотность[5] |
19,3-19,32г/см³ |
0.85 г/см³(28нм) |
||
|
Теплоемкость[6] |
0.129 кДж/(кг·К) |
0,104 кДж/(кг·К) |
||
|
Температура Дебая[7] |
162,3 K |
1,0нм |
149.316K |
|
|
2,0нм |
111.987K |
|||
|
10,0нм |
161.4885K |
|||
|
Теплопроводность [8] |
318 Вт/(м·k). |
129.8Вт/(м·k).(180K,5.6мкм*455нм* 23нм)
|
||
Из сравнения параметров Au в нано- и микроструктурах следует, что температура плавление Au существенно уменьшается при переходе к наноразмеру от 2 до 10 нм, как показано на рис.4.
Рис 4.Изменение температуры плавления Auв наноразмере от 2 до 10нм.
Существенно изменяется плотность для размеров наноструктуры 28нм. Значительно уменьшается температура Дебая для размеров 2нм.
Коэффициент теплопроводности увеличивается при увеличении температуры.
Кроме того, спектры поглощения наноразмерного золота сильно изменяются с изменением размеров частиц. Процент отражения света меньше 10%.
Рис.5.Влияние размера частиц Au на спектр поглощения стекла:1-20 нм;2-80нм.
Поскольку размеры наноструктуры (1-2нм) сравнимы с длиной волны Де-Бройля (0,1-1нм) можно отметить, что основное влияние на изменение свойств Au в наноструктуре оказывают квантовые размерные эффекты. В то же время на свойствонаноматериалаоказывают влияние и классические размерные эффекты. Соответственно возникают новые термические, оптические, магнитные, и механическиесвойствы. [9]
Технологии получения
Наноструктурное золото можно получить 2 методами химического синтеза: диспергационного (физического) и конденсационного (химического). Диспергационные методы основаны на разрушении кристаллической решётки золота физическими методами, в основном, при помощи электрической дуги. Конденсационные методы наиболее часто основаны на восстановлении галогенидов золота при помощи химических восстановителей и/или облучения.
Применение
Область применения для наноструктурного золота стремительно растет, т.к. золото обладает большим набором особых свойств, и включает в себя:
1.Электроника - золотые наночастицы предназначены для использования в качестве проводников от печатных красок для электронных чипов. Поскольку мир электроники становится все меньше, наночастицы являются важными компонентами в разработке чипа. Наноразмерныечастицы золота используются для подключения резисторов, проводников и других элементов электронного чипа.
2.Датчики - золотые наночастицы используются в различных датчиках. Так, например, колориметрический датчик на основе наночастиц золота может определить, пригодны ли для потребления пищевые продукты.
3.Зонды - наночастицы золота рассеивают свет и демонстрируют множество интересных цветов в темном поле просвечивающего электронного микроскопа. Рассеянные цвета наночастиц золота в настоящее время используются для применения биологических изображений.
4.Катализ - наночастицы золота используются в качестве катализаторов в ряде химических реакций. Поверхность наночастицызолота может быть использована для селективного окисления или в некоторых случаях поверхность может уменьшить реакцию (оксиды азота). Золотые наночастицы разрабатываются для применения в топливных элементах. Эти технологии будут полезны в автомобилестроении и индустрии дисплеев.
5. Диагностика — это та область, в которой использование золотых нанотехнологий может просто перевернуть современные понятия о медицине. Быстродействующие и недорогие тесты, основанные на нанотехнологиях с применением золота, позволяют проводить обследования пациентов на предмет наличия в организме различных заболеваний, имеющих плохоразличимые симптомы на ранних стадиях развития или, например, быстро обнаружить СПИД. Скорость в этом вопросе крайне важна — чем быстрее болезнь обнаружена, тем эффективнее и дешевле будет лечение.
5.Золото и охрана окружающей среды
Проблема охраны окружающей среды еще никогда не стояла острее, чем в настоящее время. В ближайшем будущем человечеству придется столкнуться лицом к лицу с рядом острейших проблем, таких как: увеличение населения планеты; постоянно возрастающие энергетические потребности; глобальное потепление и т.д. Применение технологии золотых наночастиц на этом фоне выглядит крайне многообещающе — с помощью нее появляется возможность решения довольно серьезных вопросов: от экологически чистого производства, до контроля за загрязнением и отчистки воды.
6. Качество воздуха. С каждым годом увеличивается процентное содержание угарного газа (СО) в атмосфере Земли. Использование наночастиц золота способствует необходимому окислению опаснейшего СО в менее токсичное вещество. Примером применения подобного подхода является то, что некоторые компании разработали специальные респираторы, используемые в чрезвычайных ситуациях: на пожарах, в шахтах при отравлении рабочих оксидом углерода и некоторых других.
Очистка воды. К одним из самых распространенных веществ, загрязняющих воду, относятся тяжелые металлы, пестициды и галогенизированная органика, из-за которых миллионы людей по всему миру постоянно находятся под угрозой отравления питьевой водой. В последние годы наметилось значительное увеличение объема применения технологии золотых наночастиц при отчистке воды и выявлении ее загрязнения. Более того, золото в таких случаях может выступать как эффективный абсорбент для удаления из воды ртути. В сфере охраны окружающей среды нанотехнологии, основанные на золоте, используются также для создания более надежных топливных баков, остекления и разработки новых солнечных батарей.[10]