เหตุผลที่ทองคำยังคงความสวยงามมานานนับพันปี

ทองคำเป็นที่รู้จักกันมานานว่าเป็นโลหะที่ทนต่อการเกิดออกซิเดชัน แต่สิ่งใดที่ช่วยให้มันคงความเงางามได้นานเช่นนี้? การศึกษาใหม่ชี้ให้เห็นว่าคำตอบอยู่ที่การจัดเรียงตัวของอะตอมทองคำบนพื้นผิวของมัน

งานวิจัยล่าสุดโดย นักวิทยาศาสตร์ จากมหาวิทยาลัยทูเลน (สหรัฐอเมริกา) ซึ่งตีพิมพ์ในวารสาร Physical Review Letters ได้ชี้แจงกลไกในระดับอะตอมที่ทำให้ทองคำมีคุณสมบัติในการต้านอนุมูลอิสระสูงเป็นพิเศษ

อะตอมของทองคำ 'เปลี่ยนรูปแบบ' ได้เองโดยธรรมชาติ

โดยทั่วไปแล้ว การที่โลหะจะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันได้นั้น โมเลกุลของออกซิเจนในอากาศจะต้องถูกแยกออกเป็นอะตอมของออกซิเจนแต่ละตัวก่อน จากนั้นอะตอมเหล่านี้จะรวมตัวกับโลหะและก่อตัวเป็นออกไซด์

แต่สำหรับทองคำแล้ว เรื่องราวไม่ได้ง่ายอย่างนั้น

เมื่อเกิดพื้นผิวทองคำใหม่ขึ้น เช่น หลังจากการตัดโลหะ อะตอมในชั้นนอกสุดจะจัดเรียงตัวใหม่ แทนที่จะคงโครงสร้างผลึกแบบเกือบสี่เหลี่ยมจัตุรัส พวกมันจะเปลี่ยนไปเป็นโครงสร้างแบบหกเหลี่ยม

จากผลการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ของทีมวิจัย พบว่าการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยนี้กลับสร้างความแตกต่างอย่างมาก

หากอะตอมของทองคำยังคงรักษาสภาพโครงสร้างแบบสี่เหลี่ยมไว้ พื้นผิวโลหะจะสามารถแยกโมเลกุลของออกซิเจนได้ค่อนข้างง่าย และปฏิกิริยาออกซิเดชันก็จะเริ่มต้นขึ้นอย่างรวดเร็ว

ในทางกลับกัน โครงสร้างหกเหลี่ยมทำให้ยากขึ้นที่ออกซิเจนจะทำลายพันธะระหว่างอะตอมสองอะตอมในโมเลกุล ดังนั้น ปฏิกิริยาออกซิเดชันบนพื้นผิวทองคำจึงถูกยับยั้งตั้งแต่ขั้นตอนแรก

นักวิจัยคำนวณว่า หากโครงสร้างเป็นแบบหกเหลี่ยม กระบวนการออกซิเดชันของพื้นผิวทองคำจะช้าลงถึง 1 ล้านถึง 1 ล้านล้านเท่า เมื่อเทียบกับกรณีที่อะตอมยังคงรักษาสภาพโครงสร้างแบบสี่เหลี่ยมจัตุรัสไว้

ไม่เพียงแต่จะช่วยให้ทองคำดูสวยงามอยู่เสมอเท่านั้น

คุณสมบัติในการต้านอนุมูลอิสระไม่ใช่เหตุผลเดียวที่ทำให้ทองคำมีความพิเศษ แม้ว่าจะมีทองคำออกไซด์เกิดขึ้นเพียงเล็กน้อย แต่มันก็ไม่เสถียร ทำให้ชั้นออกไซด์นั้นพัฒนาไปเป็นชั้นป้องกันการกัดกร่อนที่ทนทานบนพื้นผิวได้ยาก

ต่างจากเหล็กที่ขึ้นสนิมง่าย หรือเงินที่หมองคล้ำ ทองคำสามารถคงความเงางามดั้งเดิมได้นานหลายพันปี นี่จึงเป็นเหตุผลว่าทำไมวัตถุที่ทำจากทองคำจึงคงความแวววาวได้นานเช่นนั้น

การค้นพบใหม่นี้ยังอาจช่วยให้นักวิทยาศาสตร์หาวิธี "ปลุก" ปฏิกิริยาทางเคมีของทองคำได้อีกด้วย

ปัจจุบันทองคำถูกนำมาใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาทางเคมีหลายชนิด นักวิจัยเชื่อว่าหากสามารถควบคุมการจัดเรียงตัวของอะตอมบนพื้นผิวทองคำได้อย่างแม่นยำ จะสามารถทำให้โลหะชนิดนี้มีปฏิกิริยามากขึ้น ซึ่งจะเปิดโอกาสในการออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาชนิดใหม่ๆ ได้

กล่าวอีกนัยหนึ่ง ความลับที่ทำให้ทองคำทนต่อการออกซิเดชัน อาจเป็นกุญแจสำคัญที่ทำให้โลหะมีค่าชนิดนี้มีประโยชน์มากขึ้นในปฏิกิริยาเคมีบางอย่าง