El oro ha sobrevivido en tumbas, naufragios y vitrinas de museos con un brillo persistente que otros metales no pueden igualar. Mientras que el hierro se enrojece, el cobre se torna verde y la plata se oscurece, el oro parece permanecer inalterado por el medio ambiente.
Un nuevo estudio sugiere que la resistencia del oro a la oxidación no se debe simplemente a su naturaleza químicamente aislada. En su superficie, los átomos de oro pueden reorganizarse sutilmente formando patrones que dificultan enormemente las reacciones con el oxígeno. Este hallazgo ayuda a explicar por qué los objetos de oro pueden permanecer intactos durante miles de años, al tiempo que apunta a una manera de hacer que el oro sea más útil como catalizador para la industria, el control de la contaminación y la química de energías limpias.
Una defensa oculta en la superficie
El oro ha sido considerado durante mucho tiempo un metal noble, lo que significa que no reacciona fácilmente con el oxígeno, el agua ni muchas otras sustancias. Esta cualidad explica por qué ha sido tan apreciado para la elaboración de joyas, monedas y objetos sagrados durante miles de años.
El oxígeno provoca la oxidación y el deslustre de muchos metales al dividirse primero en átomos de oxígeno individuales, que luego se adhieren a la superficie del metal. El oro no es propenso a la oxidación. Sin embargo, las diminutas partículas de oro, especialmente las nanopartículas, a veces actúan como catalizadores sorprendentemente eficaces para las reacciones catalizadas por el oxígeno.
Investigadores de la Universidad de Tulane se propusieron examinar esta paradoja a nivel atómico. En su nuevo estudio, los químicos computacionales Santu Biswas y Matthew M. Montemore utilizaron simulaciones de mecánica cuántica para comprobar cómo se comportan las moléculas de oxígeno en dos superficies de oro comunes.
“Generalmente se ha pensado que el oro no se empaña simplemente porque no interactúa fuertemente con el oxígeno”, dijo Matthew Montemore, profesor asociado de ingeniería química en la Universidad de Tulane.
“Lo que demostramos es que, en dos de los tipos de superficie de oro más comunes, los átomos de la superficie se reorganizan de tal manera que hacen que el oro sea mucho más resistente a la oxidación”.
Cuando aparece una nueva superficie de oro —tras cortarla, rayarla o formar una nueva cara cristalina— sus átomos externos no necesariamente permanecen en las mismas posiciones que tenían dentro del metal sólido. Pueden desplazarse hacia una nueva disposición, un proceso denominado reconstrucción.
En las simulaciones, la diferencia fue sorprendente. Las superficies de oro sin reconstruir presentaban patrones más sueltos, de forma cuadrada. Estas superficies permitían que el oxígeno se dispersara. Las superficies reconstruidas compactaban los átomos en patrones hexagonales más densos. En estas últimas, las moléculas de oxígeno tenían dificultades para separarse.
Por qué importan los pequeños cambios
El efecto fue mucho mayor de lo que esperaban los investigadores. En el oro reconstruido, la disociación del oxígeno se ralentizó entre mil millones y un billón de veces en comparación con las superficies no reconstruidas.
“La gran resistencia a la oxidación del oro reconstruido fue, sin duda, una sorpresa”, declaró Montemore a Science News. “La oxidación es entre mil millones y un billón de veces más lenta una vez que se reorganiza”.
Esto ayuda a explicar por qué el oro macizo —el que se encuentra en anillos, monedas, cables y objetos de arte— conserva su brillo durante tanto tiempo. La superficie se asienta en una configuración de baja energía que, además, dificulta enormemente la oxidación.
La protección no es perfecta en un sentido absoluto. El óxido de oro es inestable, e incluso si se pudiera mantener la disposición cuadrada más reactiva, probablemente el oro formaría solo una fina capa de óxido. Pero el estudio cambia el enfoque. El oro no se limita a permanecer inmóvil, impidiendo el paso del oxígeno. Su geometría superficial puede ayudar a determinar su resistencia.
Este hallazgo también se relaciona con un giro importante en la química que comenzó en la década de 1980, cuando los científicos descubrieron que las nanopartículas de oro podían catalizar reacciones en las que el oro en estado sólido no tenía un buen desempeño. Esto resultó sorprendente, ya que los catalizadores suelen necesitar capturar y activar moléculas, mientras que el oro parecía demasiado inerte para esta función.
Este nuevo estudio sugiere una posible razón por la que las nanopartículas se comportan de manera diferente. Las partículas pequeñas podrían exponer regiones más irregulares, de forma cuadrada, o impedir que el oro se asiente completamente en su patrón superficial compacto. Estas zonas menos ordenadas podrían proporcionar al oxígeno el espacio que necesita para dividirse.
De la joyería a los catalizadores
La activación del oxígeno mediante catálisis es fundamental para muchas reacciones útiles. Los catalizadores que disocian el oxígeno pueden ayudar a convertir el monóxido de carbono en dióxido de carbono, a producir productos químicos industriales y a impulsar reacciones de oxidación utilizadas en la fabricación.
El oro ya desempeña un papel importante en algunos sistemas catalíticos. Los catalizadores de oro-paladio ayudan a producir acetato de vinilo, un componente básico para plásticos y otros materiales. Los investigadores también estudian catalizadores a base de oro para eliminar el monóxido de carbono de los gases de escape y producir óxido de propileno, un importante producto químico industrial.
El oro presenta un equilibrio ideal para esta aplicación. Los metales más reactivos pueden activar el oxígeno con facilidad, pero también pueden corroerse, unirse al oxígeno con demasiada fuerza o generar subproductos indeseados. La resistencia del oro a la oxidación superficial puede ser una ventaja, siempre que los químicos logren que active el oxígeno cuando sea necesario.
“Si se logra engañar al oro para que disocie el oxígeno, puede convertirse en un catalizador muy eficaz para ciertas reacciones”, explicó Montemore. “Nuestro trabajo sugiere una nueva estrategia para conseguirlo, al prevenir o revertir estas reorganizaciones superficiales”.
Hasta ahora, los investigadores han intentado mejorar los catalizadores de oro mezclándolo con otros metales o depositando diminutas partículas de oro sobre soportes de óxido. El nuevo estudio sugiere otra vía: controlar la forma de la superficie. Estabilizar patrones superficiales cuadrados o rectangulares podría aumentar la actividad química del oro sin perder las cualidades que lo hacen valioso.
La misma estructura atómica que permite que un anillo de oro perdure durante generaciones también puede limitar la utilidad industrial del oro. Si se modifica dicha estructura, uno de los metales menos reactivos podría convertirse en una herramienta química más eficaz.
Los hallazgos aparecieron en la revista Physical Review Letters.
Fuente: ZME Science.