ไขปริศนา “ทองคำไม่เป็นสนิม” นักวิทยาศาสตร์ค้นพบคำตอบระดับอะตอม ทำไมทองยังเงางามได้นับพันปี

นักวิทยาศาสตร์ค้นพบคำอธิบายใหม่ว่าเหตุใดทองคำจึงสามารถคงความสุกสว่างและไม่เกิดสนิมหรือรอยหมองได้ แม้เวลาจะผ่านไปนานนับพันปี โดยงานวิจัยล่าสุดเผยว่า ความลับสำคัญไม่ได้อยู่แค่การเป็นโลหะ Noble metal ที่ทำปฏิกิริยาเคมียากเท่านั้น แต่ยังเกี่ยวข้องกับโครงสร้างระดับอะตอมบนพื้นผิวของทองคำอีกด้วย

งานวิจัยของ ซานตู บิสวาส (Santu Biswas) และ แมทธิว เอ็ม. มอนต์มอร์ (Matthew M. Montemore) นักเคมีเชิงคำนวณจากมหาวิทยาลัยทูเลน (Tulane University) สหรัฐอเมริกา ใช้แบบจำลองคอมพิวเตอร์ศึกษาพื้นผิวของทองคำ

นักวิจัยพบว่าอะตอมบนพื้นผิวทองคำทั่วไปจะเรียงตัวอย่างหนาแน่นในรูปแบบหกเหลี่ยม ทำให้โมเลกุลออกซิเจน (Dioxygen) ไม่สามารถแทรกตัวเข้าไปแตกออกและกระตุ้นกระบวนการออกซิเดชัน (Oxidation) หรือการเกิดสนิมได้ ต่างจากโลหะชนิดอื่นที่ออกซิเจนสามารถเกาะติดผิวจนเกิดการกัดกร่อนในเวลาต่อมา

งานวิจัยนี้ได้จำลองรูปแบบการจัดเรียงตัวของอะตอมบนพื้นผิวออกเป็น 2 ชนิดหลัก ได้แก่

1. พื้นผิวแบบ "Reconstructed" อะตอมจัดเรียงตัวแบบหกเหลี่ยมที่อัดแน่น ซึ่งเป็นรูปแบบที่ทองคำมักจะสร้างขึ้นตามธรรมชาติบนก้อนทองคำขนาดใหญ่ (Bulk gold) บนพื้นผิวนี้ โมเลกุลของออกซิเจนไม่มีพื้นที่เพียงพอให้ยึดเกาะและแตกตัวได้

2. พื้นผิวแบบ "Unreconstructed" อะตอมจัดเรียงตัวในรูปแบบคล้ายสี่เหลี่ยมที่มีความหลวมกว่าและมีพื้นที่ว่างแทรกอยู่ ผลปรากฏว่าบนพื้นผิวแบบหลวมนี้ โมเลกุลของออกซิเจนสามารถแตกตัวได้ง่ายกว่าแบบแรกถึงระดับพันล้านหรือล้านล้านเท่า

นักวิจัยระบุว่า การจัดเรียงตัวที่อัดแน่นบนก้อนทองคำปกตินั้น แท้จริงแล้วเป็นการจัดรูปแบบที่เสถียรที่สุดของโลหะชนิดนี้ ส่วนคุณสมบัติการต้านทานสนิมนั้นเป็นเพียงผลพลอยได้ที่เกิดขึ้นตามมา

การค้นพบนี้ยังช่วยไขปริศนาที่นักวิทยาศาสตร์สงสัยมาตั้งแต่ช่วงทศวรรษ 1980 ว่า เหตุใดอนุภาคนาโนทองคำ (Gold nanoparticles) จึงกลับสามารถทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาได้ดี ทั้งที่ทองคำก้อนใหญ่แทบไม่ทำปฏิกิริยากับออกซิเจนเลย คำอธิบายคือ อนุภาคทองคำขนาดเล็กอาจไม่สามารถสร้างพื้นผิวหกเหลี่ยมที่อัดแน่นได้สมบูรณ์ จึงยังเหลือพื้นผิวแบบหลวมที่ไวต่อปฏิกิริยาเคมีอยู่ภายนอก

ผลการศึกษาที่ตีพิมพ์ในวารสาร Physical Review Letters อาจนำไปสู่การพัฒนาเทคโนโลยีตัวเร่งปฏิกิริยาใหม่ในอนาคต เช่น การเปลี่ยนก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) ให้เป็นคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) โดยใช้ทองคำเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา จุดเด่นสำคัญคือทองคำไม่ไวต่อปฏิกิริยาอื่น จึงช่วยลดการเกิดสารตกค้างที่ไม่พึงประสงค์ และตัวโลหะเองก็ไม่ถูกกัดกร่อนง่ายแม้ใช้งานเป็นเวลานาน