Золото, некогда символ власти и богатства, вожделенная цель завоевателей, алхимиков и золотоискателей, сегодня переживает новое рождение. Из предмета роскоши оно превратилось в стратегический материал, без которого немыслимы квантовые компьютеры, точечная терапия рака и покорение космоса. Так в чем же сегодня состоит секрет его уникальности и где человечество будет добывать этот ресурс в необозримом будущем – в океане, на астероидах или в старых гаджетах?
Золотой парадокс: почему золото так знаменито?
Золото сопровождает человечество на протяжении всей его истории: египетские фараоны отправлялись с ним в загробный мир, испанские конкистадоры завоевывали ради него континенты, а золотой стандарт стал основой мировой экономики. Сегодня ценность этого металла определяется уникальными физическими свойствами, которые делают его незаменимым в высоких технологиях. Что же делает золото столь особенным?
- Благодаря абсолютной химической инертности золото веками не поддается окислению, именно поэтому древние украшения до сих пор сохраняют свой первоначальный блеск. Это же свойство позже сделало золото идеальным материалом для зубных протезов, которые организм не отторгает. Сегодня эта «неуязвимость» обеспечивает надежность микроскопических контактов в процессорах и космических аппаратах — там, где другие металлы уже давно вышли бы из строя.
- Золото сочетает в себе высочайшую электропроводность с удивительной пластичностью. Его можно вытянуть в тончайшие проводящие нити, сохраняя при этом прочность. Именно это качество сделало золото незаменимым компонентом микросхем в смартфонах и компьютерах — там, где от качества проводников зависит работа всего устройства.
- Самое удивительное свойство золота раскрывается на наноуровне. Благодаря плазмонному резонансу наночастицы золота особым образом взаимодействуют со светом, меняя цвет в зависимости от размера и формы. Это явление открыло путь к созданию сверхчувствительных сенсоров, способных обнаружить единственную молекулу вируса или маркер раковой клетки — то, что еще недавно казалось научной фантастикой.
«Физико-химические свойства золота в макроскопическом объеме исследованы достаточно полно, так как данный материал сопровождает человечество с незапамятных времен. В настоящее время основной тренд в изучении материалов на основе золота — наноразмерные объекты.Например, в работе японских исследователей показано, что при уменьшении объекта наблюдения (частица золота) происходит изменение их магнитных свойств. Макроскопические частицы золота при обычных условиях являются диамагнетиком, однако наноразмерные частицы демонстрируют ферромагнитные свойства», — говорит Павел Прокофьев, кандидат технических наук, научный сотрудник Лаборатории №12 Института металлургии и материаловедения имени А.А. Байкова РАН (ИМЕТ РАН).
Как используют золото в высоких технологиях
Уже сегодня золото стало незаменимым компонентом привычной нам электроники. Благодаря своей высочайшей электропроводности и коррозионной стойкости тончайшее золотое напыление обеспечивает бесперебойную работу контактов в микропроцессорах наших смартфонов и ноутбуков. Эта же «неуязвимость» делает его металлом номер один для космических аппаратов, где в условиях вакуума исключена рискованная «холодная сварка» деталей, которой подвержены другие металлы, а окисление полностью отсутствует.
Однако подлинная технологическая революция ждет золото в будущем — там, где требования к материалам многократно возрастают. Например, исследования в области квантовых вычислений, ведущиеся в МГУ им. М.В. Ломоносова и МФТИ, рассматривают золото как ключевой материал для создания стабильных сверхпроводящих кубитов. Его способность формировать высококачественные интерфейсы и минимизировать потери энергии критически важна для увеличения времени когерентности — того самого параметра, что определяет жизнеспособность квантового компьютера.
Павел Прокофьев комментирует: «Золото достаточно широко применяется в современной микроэлектронной промышленности благодаря уникальному комплексу физико-химических характеристик: высокая теплопроводность, низкое электрическое сопротивление, стойкость к окислению в нормальных условиях. Именно поэтому с точки зрения микроэлектроники золото является отличным материалом для контактов. Что касается систем квантовых вычислений, то благодаря уникальным физико-химическим свойствам золото незаменимо и там. Однако с точки зрения квантовых вычислений больший интерес представляют различные многослойные материалы с золотым напылением для получения сверхпроводников, требующихся при создании основы квантового компьютера — кубита.
Безусловно, спрос на золото в перспективе 10-20 лет в связи с развитием области квантовых вычислений возрастет со стороны технологических компаний. Однако следует понимать, что и сейчас в микроэлектронике применяется золото при напылении (толщина 0,1–15 мкм). Поэтому дефицита на рынке золота не стоит ожидать. А вот рост цен, связанный с повышенным спросом, особенно на материал высокой и сверхвысокой чистоты, безусловно, будет. В качестве примера можно привести существенный рост цены на металлический кобальт в 2018 году, связанный с повышенным спросом компаний, производящих литий-ионные аккумуляторы. В марте 2018 года биржевая цена за 1 тонну металлического кобальта достигала почти 94000 $. Однако рынок пришел в равновесие, и на сегодняшний день цена за 1 тонну металлического кобальта составляет порядка 35000$, что практически соответствует цене 2015 г. Поэтому рост цены возможен и на золото при повышенном спросе со стороны технологических компаний».
Не менее парадоксально и применение золота в катализе: будучи инертным в массивной форме, золото, будучи измельченным в наночастицы, кардинально меняет свойства и становится высокоактивным катализатором. Оно уже используется для создания более эффективных систем очистки выбросов автомобилей и открывает пути для синтеза принципиально новых материалов, демонстрируя, что потенциал этого древнего металла только начинают раскрывать.
Например, в 2024 году сообщалось, что ученые Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ) разработали метод соединения двух простых веществ с помощью катализатора на основе золота, прикрепленного к полимеру.«Одним из интереснейших открытий отечественной науки в области микроэлектроники, а точнее сказать, прозрачной фотоники, на мой взгляд, является работа физиков из МФТИ, посвященная созданию двумерной «золотой структуры» на подложке MoS2. Толщина золотой пленки в их исследовании составила всего 3–4 нм, что демонстрирует возможность создания двумерных графеноподобных металлических структур с особыми физическими свойствами для развития прозрачной фотоники и оптоэлектроники», — считает Павел Прокофьев.
Золото в современной медицине
Когда речь заходит о золоте в медицине, на смену уже устаревшим образам зубных коронок приходят технологии, больше похожие на сюжет из научной фантастики. Современная наука превратила этот благородный металл в многофункциональную платформу для точечной диагностики и терапии, открывая новые горизонты в лечении самых сложных заболеваний, прежде всего — онкологических.
Одна из самых многообещающих ролей золота — роль «умного курьера». Российские научные группы, например, в НИЦ «Курчатовский институт» и МГУ им. М.В. Ломоносова, активно работают над созданием целевых систем доставки лекарств на основе наночастиц золота.
Принцип действительно напоминает тактику троянского коня: крошечная, размером в несколько нанометров, частица золота выполняет роль каркаса. К ее поверхности «пришиваются» молекулы мощного химиопрепарата. Но ключевой элемент — это «особое покрытие», целевой лиганд (например, фолиевая кислота или специфическое антитело), которое работает как ключ, распознающий «замок» на мембране раковой клетки. Благодаря этому наночастица беспрепятственно минует здоровые ткани и проникает именно в опухоль, где под действием ее кислой среды или специфических ферментов «золотой конь» вскрывается, высвобождая смертельный для раковой клетки груз. Такой подход позволяет минимизировать побочные эффекты классической химиотерапии, повышая ее эффективность и безопасность для пациента.
Еще более впечатляющей выглядит другая стратегия — фотодинамическая и фототермическая терапия. Здесь золото выступает уже не как курьер, а как высокоточное оружие. Метод использует уникальное свойство наночастиц — плазмонный резонанс. Когда на скопление таких частиц, заранее доставленных в опухоль, направляют лазерный луч с определенной, точно подобранной длиной волны, они начинают интенсивно поглощать световую энергию, моментально превращая ее в тепло.
За считанные минуты температура в зоне опухоли локально поднимается до 42–48°C, что приводит к коагуляции белков и буквальному «выжиганию» раковых клеток изнутри. При этом окружающие здоровые ткани, не содержащие наночастиц, остаются неповрежденными.Помимо терапии золото революционизирует и диагностику. На основе наночастиц создаются сверхчувствительные тест-системы и контрастные агенты для визуализации. В Институте биоорганической химии РАН ведутся разработки иммунохроматографических тестов (аналогичных домашним тестам на COVID-19), где наночастицы золота, связанные с антителами, служат яркой и легко считываемой меткой для выявления специфических онкомаркеров на самых ранних стадиях болезни.
Наука о золоте: что нового узнали ученые о благородном металле?
Казалось бы, о золоте человечество знает все: где его искать, как добывать и обрабатывать… Однако сегодня широкие перспективы использования в наноэлектронике, медицине и космических технологиях требуют от золота новых, подчас уникальных свойств, заставляя по-новому взглянуть на сам металл, искать инновационные подходы к его добыче, глубже исследовать уже известные и открывать новые его особенности.
Один из главных вызовов для науки — понять, как именно формируются месторождения. Возьмем, к примеру, уникальное месторождение на Южном Урале. Ученые выяснили, что его секрет скрыт в далеком прошлом и уходит своими корнями в эпоху древних вулканов. Оказалось, что золото было «приготовлено» в гигантской магматической системе, где циркулировали горячие растворы, обогащенные ценными элементами. Расшифровка этого «кода» позволяет не только объяснить происхождение этого месторождения, но и указывает, где искать подобные кладовые в других регионах. Иногда золото прячется так хитро, что найти его можно только по косвенным признакам. Так произошло на Назаровском месторождении, где главной подсказкой стал другой металл — висмут.
Не менее удивительная метаморфоза происходит с золотом, которое уже, казалось бы, добыто и оставлено человеком. Феномен «живого золота» в заброшенных сибирских приисках и вовсе похож на магию. Ученые обнаружили, что в старых отвалах золото... растет! Так называемое аутигенное золото образует причудливые наросты и прожилки, подобно грибам после дождя.
Когда руда найдена и изучена, встает вопрос: как извлечь из нее золото с максимальной эффективностью и минимальным ущербом для природы? Ответ на него нашли ученые, предложившие идеальный способ добычи в сложных условиях. Речь идет о выборе между сплошной, селективной и комбинированной выемкой породы. С помощью эксперимента исследователи доказали, что комбинированный метод — самый эффективный. Он позволяет точно отделить руду со схожими характеристиками в единые блоки, сокращая объемы отвалов и расход энергии на переработку.
Наконец, открытие наноструктур золота в приамурских месторождениях показало, что значительная часть металла существует там в форме мельчайших частиц и сложных пористых структур. Дальнейшие исследования помогут не только улучшить методы добычи, но и раскрыть новые тайны геологической истории Земли.
***
Золото XXI века превратилось из символа роскоши в материал высоких технологий и прогресса. И современная «золотая лихорадка» потрясает уже не прииски с о старателями, а научные лаборатории, где ценность металла определяют не его вес, а уникальные свойства. Благодаря им золото работает в квантовых компьютерах, доставляет лекарства к больным клеткам и помогает осваивать космос… И доказывает, что его главная ценность не в магическом блеске, а в способности служить человечеству на пути в будущее.
Автор текста Валерия Стопичева
Изображение на обложке: Ai-generated