Nghiên cứu mới của các nhà khoa học thuộc Đại học Tulane, New Orleans, bang Louisiana (Mỹ) cho thấy các nguyên tử vàng tự sắp xếp thành một cấu trúc lục giác đặc biệt trên bề mặt, khiến việc tách các phân tử oxy trở nên khó khăn hơn rất nhiều. Phát hiện này giúp lý giải một trong những đặc tính nổi tiếng nhất của vàng - khả năng chống oxy hóa vượt trội.

Tượng Nữ thần Tự do đã đứng sừng sững tại cửa ngõ cảng New York gần 140 năm và trở thành một trong những biểu tượng dễ nhận biết nhất của nước Mỹ. Tuy nhiên, khi công trình được khánh thành năm 1886, diện mạo của tượng hoàn toàn khác hiện nay. Khi đó, bề mặt tượng mang màu ánh kim ấm đặc trưng của đồng - vật liệu chính được sử dụng để chế tác công trình. Trong gần ba thập niên sau đó, quá trình oxy hóa diễn ra từ từ đã phủ lên tượng một lớp patina dày. Đây là thuật ngữ dùng để chỉ các hợp chất hình thành trên bề mặt vật liệu sau thời gian dài tiếp xúc và phản ứng với oxy. Thành phần hóa học chính xác của lớp patina phụ thuộc một phần vào độ ẩm của môi trường xung quanh.

Hiện tượng này không chỉ xảy ra với đồng. Phần lớn kim loại đều có xu hướng phản ứng với oxy trong không khí, dẫn đến quá trình oxy hóa và làm thay đổi tính chất bề mặt. Sắt có thể bị gỉ, đồng chuyển sang màu xanh đặc trưng, trong khi bạc có thể xỉn màu. Nhưng vàng lại gần như đứng ngoài quy luật này.

Theo nghiên cứu được các nhà khoa học thực hiện ở cấp độ nguyên tử, câu trả lời nằm ở cách các nguyên tử vàng sắp xếp trên bề mặt kim loại. Các nhà nghiên cứu phát hiện rằng những nguyên tử vàng trên bề mặt có thể tự tổ chức thành một cấu trúc lục giác đặc biệt. Cách sắp xếp này tạo ra một bề mặt tương đối ổn định, đồng thời khiến các phân tử oxy trong môi trường khó bị tách thành những nguyên tử oxy riêng lẻ.

Đây là một bước quan trọng để hiểu quá trình oxy hóa. Để oxy có thể phản ứng mạnh với một kim loại, liên kết giữa hai nguyên tử trong phân tử oxy (O₂) phải được phá vỡ. Khi đó, các nguyên tử oxy có thể tiếp tục phản ứng với kim loại và hình thành các hợp chất oxit.

Ở vàng, cấu trúc nguyên tử trên bề mặt khiến quá trình này trở nên khó khăn hơn đáng kể. Nói cách khác, vàng không đơn giản là “không phản ứng” với môi trường; cấu trúc ở cấp độ nguyên tử của nó tạo ra một rào cản khiến phản ứng oxy hóa khó xảy ra trong những điều kiện thông thường.

Đặc tính này lý giải vì sao các đồ vật bằng vàng có thể duy trì vẻ ngoài và tính chất hóa học trong thời gian rất dài. Từ đồ trang sức, tiền xu cho tới các hiện vật cổ, vàng thường vẫn giữ được độ ổn định đáng kinh ngạc sau hàng thế kỷ.

Phát hiện mới cũng cho thấy một đặc điểm quan trọng của vật liệu học: những tính chất mà con người quan sát được ở quy mô lớn đôi khi bắt nguồn từ những sắp xếp cực kỳ nhỏ bên trong vật chất. Việc một kim loại có bị oxy hóa hay không không chỉ phụ thuộc vào thành phần hóa học, mà còn liên quan trực tiếp đến cách các nguyên tử của nó tổ chức trên bề mặt.

Theo hướng tiếp cận này, bí mật đằng sau khả năng “không gỉ” nổi tiếng của vàng không nằm ở một lớp bảo vệ bên ngoài, mà nằm ngay trong cấu trúc nguyên tử của chính kim loại này.

Nghiên cứu của các nhà khoa học Mỹ vì thế không chỉ giúp giải thích một đặc tính quen thuộc của vàng, mà còn mở rộng hiểu biết về cách các vật liệu tương tác với oxy và môi trường. Những kiến thức này có thể có ý nghĩa đối với việc nghiên cứu các chất xúc tác, vật liệu chống ăn mòn và nhiều ứng dụng công nghệ khác trong tương lai.