Вчені представили новий матеріал, наповнений золотом в екзотичному хімічному стані

Вперше дослідники зі Стенфорда знайшли спосіб створити та стабілізувати надзвичайно рідкісну форму золота, що втратила два негативно заряджені електрони, що отримала позначення Au2+. Матеріалом, що стабілізує цю невловиму версію цінного елемента, є галоїдний перовскіт — клас кристалічних матеріалів, який має великі перспективи для різних застосувань, включаючи ефективніші сонячні елементи, джерела світла та компоненти електроніки.

Дивно, але перовскіт Au2+ також можна швидко і просто зробити, використовуючи готові інгредієнти за кімнатної температури.

«Те, що нам вдалося синтезувати стабільний матеріал, що містить Au2+, стало справжнім сюрпризом — я спочатку навіть не повірив цьому», — сказав Хемамала Карунадаса, доцент кафедри хімії Стенфордської школи гуманітарних наук та старший автор дослідження. Дослідження опубліковано 28 серпня у журналі Nature Chemistry. «Створення першого у своєму роді перовскіту Au2+ є захоплюючим заняттям. Атоми золота в перовскіті дуже схожі на атоми міді у високотемпературних надпровідниках, а важкі атоми з неспареними електронами, такі як Au2+, демонструють круті магнітні ефекти, які раніше не зустрічалися раніше. у легших атомах».

«Галоїдні перовскіти мають справді привабливі властивості для багатьох повсякденних застосувань, тому ми прагнули розширити це сімейство матеріалів», — сказав Курт Ліндквіст, провідний автор дослідження, який проводив дослідження, бувши аспірантом Стенфордського університету, а зараз є пост докторантом. вчений у галузі неорганічної хімії в Прінстонському університеті. «Безпрецедентний перовскіт Au2+ може відкрити нові можливості, що інтригують».

Тяжкі електрони в золоті

Золото як елементарний метал давно цінувалося за його відносну рідкість, а також за неперевершену ковкість і хімічну інертність. Це означає, що з нього можна легко створювати ювелірні вироби та монети, які не вступають у реакцію з хімічними речовинами у навколишньому середовищі та не тьмяніють з часом. Ще однією ключовою причиною його цінності є однойменний колір золота; можливо, жоден інший метал у чистому вигляді не має такого яскраво вираженого насиченого відтінку.

Карунадаса пояснив, що фундаментальна фізика, що лежить в основі такого знаменитого зовнішнього вигляду золота, також пояснює, чому Au2+ такий рідкісний.

Основна причина – релятивістські ефекти, спочатку постулювані у знаменитій теорії відносності Альберта Ейнштейна. «Ейнштейн навчив нас, що коли об’єкти рухаються дуже швидко і їхня швидкість наближається до значної частини швидкості світла, об’єкти стають важчими», — сказав Карунадаса.

Це явище стосується і частинок і має глибокі наслідки для «масивних» важких елементів, таких як золото, атомні ядра якого містять велику кількість протонів. Ці частки разом створюють величезний позитивний заряд, змушуючи негативно заряджені електрони обертатися навколо ядра з запаморочливою швидкістю. Як наслідок, електрони стають важкими та щільно оточують ядро, притупляючи його заряд і дозволяючи зовнішнім електронам дрейфувати далі, ніж у типових металах. Ця перестановка електронів та його енергетичних рівнів призводить до того, що золото поглинає синє світло і тому здається нашому оку жовтим.

Через розташування електронів золота, згідно з теорією відносності, атом природним чином зустрічається у вигляді Au1+ і Au3+, втрачаючи один або три електрони відповідно і відкидаючи Au2+. (Знак «2+» вказує на чистий позитивний заряд від втрати двох негативно заряджених електронів, а хімічний символ золота «Au» походить від «aurum», латинського слова, що означає золото.)

Дослідники зі Стенфорда виявили, що за правильної молекулярної конфігурації Au2+ може вижити. Ліндквіст сказав, що він «наткнувся» на новий перовскіт, що містить Au2+, під час роботи над ширшим проектом, присвяченим магнітним напівпровідникам для використання в електронних пристроях.

Ліндквіст змішав сіль під назвою хлорид цезію та хлорид Au3+ у воді та додав у розчин соляну кислоту «з невеликою кількістю вітаміну С», сказав він. У наступній реакції вітамін С (кислота) віддає (негативно заряджений) електрон звичайному Au3+, утворюючи Au2+. Цікаво, що Au2+ стабільний у твердому перовскіті, але не в розчині.

«У лабораторії ми можемо зробити цей матеріал, використовуючи дуже прості інгредієнти приблизно за п’ять хвилин при кімнатній температурі», — сказав Ліндквіст. «У результаті ми отримуємо порошок темно-зеленого, майже чорного кольору, який на диво важкий через золото, що міститься в ньому».

Розуміючи, що вони, можливо, натрапили на новий хімічний ґрунт, так би мовити, Ліндквіст провів численні випробування перовскіту, включаючи спектроскопію та дифракцію рентгенівських променів, щоб дослідити, як він поглинає світло, та охарактеризувати його кристалічну структуру. Стенфордські дослідні групи з фізики та хімії на чолі з Янгом Лі, професором прикладної фізики та фотонної науки, та Едвардом Соломоном, професором хімії Монро Е. Спагта та професором фотонної науки, зробили подальший внесок у вивчення поведінки Au2+.

Експерименти зрештою підтвердили наявність Au2+ у перовскіті і тим самим додали главу до вікової історії хімії та фізики за участю Лайнуса Полінга, який отримав Нобелівську премію з хімії у 1954 році та Нобелівську премію миру у 1954 році. 1962. На початку своєї кар’єри він працював над золотими перовскітами, що містять загальні форми Au1+ та Au3+. За збігом, Полінг пізніше також вивчив структуру вітаміну С — одного з інгредієнтів, необхідних для отримання стабільного перовскіту, що містить невловиме Au2+.

«Нам подобається зв’язок Лайнуса Полінга з нашою роботою», — сказав Карунадаса. «Синтез цього перовскіту може стати гарною історією».

Заглядаючи у майбутнє, Карунадаса, Ліндквіст та колеги планують продовжити вивчення нового матеріалу та вдосконалити його хімічний склад. Є надія, що перовскіт Au2+ можна буде використовувати у додатках, що вимагають магнетизму та провідності, оскільки електрони перестрибують від Au2+ до Au3+ у перовскіті.

«Ми раді дізнатися, на що здатний перовскіт Au2+», — сказав Карунадаса. Джерело