בשער הכניסה לארץ האפשרויות הבלתי מוגבלות ניצב כבר כמעט 140 שנה פסל החירות. כולנו בוודאי יכולים לראות בדמיוננו את דמות האישה הירקרקה, המניפה את לפיד החירות. אך כשהפסל נחנך בשנת 1886 צבעו היה חם ומתכתי יותר – צבע הנחושת, המתכת שממנה הוא עשוי. אט אט, לאורך קרוב לשלושים שנה, התכסה הפסל שהעניקה ממשלת צרפת לארצות הברית בשכבת פטינה (patina) עבה: שם כולל לתרכובות שנוצרות על גבי חומרים בתהליכי חמצון ממושכים. ההרכב הכימי המדויק שלהן נקבע לפי אחוזי הלחות בקרבת העצם המתחמצן.
תושבי ניו יורק התרגלו עם הזמן לצבע הירקרק של גברת החירות, במיוחד אחרי שהבינו שהפטינה הירוקה פועלת כשכבת הגנה טבעית שמונעת מהנחושת להמשיך להחליד. אך שינוי הצבע כולו היה נמנע מלכתחילה אילו ממשלת צרפת הייתה מצפה את הפסל בזהב. שכן שזהב אינו רק חומר יוקרתי ויקר יותר מנחושת: ליוקרה הזאת מתלווה גם חסינות טבעית מפני חמצון.
עוד כתבות באתר מכון דוידסון לחינוך מדעי:
אלרגיה למזון: מגע של האלרגן בעור לא גרם לתגובה מסוכנת
כתב סתרים עם כורכום
ניקוי יסודי למערכת החיסון
מניין קיבל הזהב את התכונה האצילית הזאת? כשאנחנו אומרים על יסוד שהוא אצילי, איננו מתייחסים רק למעמדו – אם כי אין חולק על כך שזהב הוא מתכת יקרה ויוקרתית – אלא גם לאינרטיות שלו, כלומר לנטייה שלו לא ליצור תגובות כימיות עם אטומים אחרים. גזים אצילים כמו הליום, לדוגמה, לא יוצרים תרכובות עם חומרים אחרים. כשמדובר בזהב, הסיבה להתבודדות הזאת היא שאטומי הזהב שעל פני השטח מתארגנים בגיאומטריה שמונעת מהם להתחמצן, כלומר להיקשר לאטומי חמצן. מחקר שפורסם בכתב העת Physical Review Letters הראה לאחרונה שאלמלא כן הזהב היה מתחמצן בתוך שניות.
מטילי זהב
(צילום: shutterstock)
אצולת המתכות
כשמתכת כלשהי מתחמצנת, עליה לפצל תחילה את מולקולות החמצן שבאוויר כדי שתוכל להשתמש באטומים שבהן. מולקולת חמצן מורכבת משני אטומים של חמצן, והשכבה החיצונית במתכת משמשת בתור מעין מספריים מיקרוסקופיים שגוזרים את המולקולה לשניים. אטומי החמצן הבודדים, שלהוטים ליצור תגובות כימיות, יכולים כעת להתחבר לאטומי המתכת ולכסות את פני השטח שלה במגוון תחמוצות, שחלקן יוצרות פטינה.
החוקרים, מאוניברסיטת טוליין (Tulane) בלואיזיאנה, ערכו הדמיות מחשב המבוססות על מכניקת הקוונטים, שמספקת כלים לתיאור התנהגותם של חומרים בקנה המידה הזעיר של החלקיקים. הדמיות כאלה נפוצות מאוד במדע החומרים, והן מעניקות לחוקרים שעוסקים במחקר ניסויי מבחר גדול של ניבויים מדויקים זמינים לבחינתם, לצד יכולת לחזות מה יהיו התכונות של חומרים בתנאים קיצוניים שלא תמיד מעשי לממש אותם במעבדה. במקרה הזה ביקשו החוקרים להבין תוך כמה זמן היה הזהב מתחמצן לו האטומים שלו היו משמשים כמספריים מיקרוסקופיים מוצלחים – בניגוד למציאות הפיזיקלית.
(צילום: shutterstock)
כאשר שכבה חדשה של זהב נחשפת לאוויר, כפי שקורה למשל כשחותכים גוש זהב, מתרחשת התארגנות מחדש של האטומים. אטומים שישבו עד אז בנחת בסריג המוצק של גוש הזהב, שבנוי ריבועים-ריבועים, נודדים ויוצרים על פני השטח תבנית של משושים. אך בשונה מהתבנית הריבועית של האטומים, שפועלת כמספריים מיקרוסקופיים מוצלחים ומביאה לחמצון כמעט מיידי, התבנית המשושה גרועה מאוד בפיצול מולקולות החמצן שבאוויר. כמה גרועה? הזמן שנחוץ לה לחמצן את פני השטח של הזהב גבוה פי מיליון עד טריליון לעומת התבנית הריבועית.
כמו כן, גם אם הזהב היה נוטה לשמור על המבנה הריבועי של האטומים על פני השטח שלו, וכך להביא לחמצון מהיר – תחמוצת הזהב היא חומר לא יציב, כך שרק שכבה דקה שלה הייתה מכסה את שטח הפנים של הזהב ותו לא.
מעבר להבנת ברק-התמיד של הזהב, הממצאים עשויים לסייע בעיצוב זרזים כימיים המבוססים על זהב, שכן אם תימצא דרך לעצב את פני השטח שלו במבנה הריבועי, הוא יהפוך תגובתי מאוד. ואילו התבנית המשושה היא ה”אקס פקטור” של הזהב, שאחראי לברק הנצחי שלו. שוב המשושה מקבל מקום של כבוד בטבע, ממש כמו בכוורות הדבורים, בשריונות הצבים ובעיני הזבובים.
יהונתן ברקהיים, מכון דוידסון לחינוך מדעי, הזרוע החינוכית של מכון ויצמן למדע
