Ngày nay, hợp kim vàng-đồng là những chất xúc tác phổ biến trong công nghệ nano, ví dụ như để chuyển đổi hiệu quả cacbon dioxit hoặc hỗ trợ chế tạo các loại vật liệu cho pin nhiên liệu công suất cao và tuổi thọ cao hơn. “Ở cấp nano, hợp kim này bộc lộ nhiều đặc tính hóa học và vật lý mới. Mặc dù hợp kim vàng-đồng đã từng được nghiên cứu nhiều ở cả quy mô lớn và cấp nano, nhưng vẫn chưa có dự đoán các biểu đồ trạng thái ở cấp nano”, Tiến sỹ Grégory Guisbiers thuộc khoa Vật lý và Thiên văn học tại Đại học Texas, San Antonio, Hoa Kỳ (UTSA) cho biết.

 Người Tây Ban Nha gọi hợp kim vàng và đồng là Tumbaga, đây là hợp kim được tìm thấy và sử dụng rộng rãi trong nền văn minh tiền Colombo ở Trung Mỹ. Tính phổ biến của hợp kim này bắt nguồn từ điểm nóng chảy tương đẳng của nó, tức là với một thành phần đặc biệt, hợp kim này có tính chất giống như một nguyên tố tinh khiết (tức là nó tan chảy ở nhiệt độ nhất định chứ không phải trên một dải rộng) và điểm nóng chảy của hợp kim này cũng thấp so với hai nguyên tố tinh khiết. Đối với hợp kim Au-Cu, điểm nóng chảy tương đẳng “xảy ra” ở thành phần chứa 44% đồng và nhiệt độ là 910 oC, thấp hơn điểm nóng chảy của vàng (1064 oC) và đồng (1084 oC).

 Trong một bài báo công bố trên tạp chí Nano Letters, Guisbiers và các đồng nghiệp tại UTSA đã đưa ra biểu đồ trạng thái của hợp kim Au-Cu ở cấp nano liên quan đến các hình thái học đa diện đặc biệt của các hạt nano có kích cỡ 4 nanomet và 10 nanomet - đó là khối tứ diện, khối lập phương, khối bát diện, khối thập diện, khối thập nhị diện (12 mặt), khối thập nhị diện hình thoi, khối bát diện cụt, khối bát diện lập phương, và khối nhị thập diện (20 mặt).

 Nhóm nghiên cứu của giáo sư Miguel Jose Yacaman đã sử dụng nhiệt động học để xác định một số tín hiệu liên quan đến “hành vi” của một vài hợp kim nano Ai-Cu đa diện.

 “Kết quả của chúng tôi minh họa cho hành vi động lực và cấu trúc của hợp kim được tính toán ở các kích thước đặc biệt 10 và 4 nanomet phát triển từ chuỗi vàng sang chuỗi đồng khi thành phần đồng tăng lên”, Guisbiers lưu ý. “Dù thành phần và kích thước của hợp kim nano là gì, thì các hình dạng tối ưu vẫn là khối thập nhị diện, khối bát diện cụt và khối nhị thập diện”. “Hình dạng có lõi nhiều đồng/bề mặt nhiều vàng có cấu trúc ổn định nhất”.

 Nghiên cứu này nhấn mạnh ảnh hưởng của kích thước và hình dạng đối với điểm nóng chảy tương đẳng, cho thấy hợp kim giầu đồng khi kích thước giảm: Đối với mỗi hình dạng đã nghiên cứu, bằng cách giảm kích thước, điểm nóng chảy tương đẳng dịch chuyển sang nhiệt độ thấp hơn và thành phần đồng cao hơn.

 Nghiên cứu trước đó đã chỉ ra trong số các hệ lưỡng kim gồm các nguyên tố cùng nhóm trong bảng tuần hoàn, khuynh hướng di chuyển vào lõi là cao hơn đối với các nguyên tố có mật độ electron lõi ít hơn (trong trường hợp này là đồng) tức là nguyên tố có mật độ electron nhiều hơn (trong trường hợp này là vàng) sẽ nằm ở bề mặt. Nhiệt động lực học đã tiên đoán các cấu trúc trong nghiên cứu này là khá thống nhất với những quan sát.

 “Các hướng quan sát từ cách tiếp cận của chúng tôi cũng có thể sử dụng như một điểm khởi đầu cho các phương pháp lý thuyết hàm mật độ ab initio (ab initio density functional theory (DFT) methods) để dự đoán “hành vi” của các cụm hợp kim Au-Cu nhỏ hơn”, Guisbiers kết luận.

Nguồn: NASATI, ngày 15/11/2014