В ювелирной мастерской золото не смешивают с рутением: одно мягкое и блестящее, другой тугоплавкий и хрупкий. Но в нанометровых масштабах эти металлы сливаются в единый сплав, который при нагреве начинает разделяться, как масло и вода в остывающем бульоне. Именно такое поведение засняли исследователи, изучая частицы размером меньше сотой доли толщины волоса.
Сначала наночастицы представляют собой однородную смесь золота и рутения с кубической упаковкой атомов. При нагреве выше 350 градусов Цельсия внутри каждой частицы образуются отдельные области: богатые золотом (с кубической решёткой) и богатые рутением (с шестиугольной). Это похоже на то, как в застывающем воске собираются кристаллики разной формы. Но самое интересное происходит, когда частицы помещают в смесь водорода и азота под атмосферным давлением — как в промышленных реакторах для синтеза аммиака.
Эти пустоты и чёткие грани на поверхности частиц появляются только при высоком давлении газа. Расчёты показали, что водород усиливает разницу в подвижности атомов золота и рутения, заставляя первый уходить быстрее и оставлять вакансии — «дырки» от ушедших атомов. Такой механизм известен как эффект Киркендалла: если два металла диффундируют с разной скоростью, на границе образуются поры.
Понимание этих перестроек поможет создавать катализаторы, которые не разрушаются при работе. Ведь аммиак нужен для удобрений, а его производство сегодня потребляет около 2% мировой энергии. Если частицы будут стабильнее, процесс станет дешевле и экологичнее.
Эффект Киркендалла впервые наблюдали в 1947 году на примере латуни: цинк диффундировал быстрее меди, и в месте контакта образовывались поры. Теперь этот же механизм нашли в наночастицах для катализа.