Исследователи Стэнфордского университета представили новый материал, содержащий золото в экзотическом химическом состоянии.
Впервые исследователи из Стэнфорда нашли способ создать и стабилизировать чрезвычайно редкую форму золота, которая потеряла два отрицательно заряженных электрона, обозначаемых Au2+. Материалом, стабилизирующим эту неуловимую версию ценного элемента, является галогенидный перовскит-класс кристаллических материалов, который имеет большие перспективы для различных применений, включая более эффективные солнечные элементы, источники света и электронные компоненты.
Удивительно, но перовскит Au2+ также быстро и просто приготовить, используя готовые ингредиенты комнатной температуры.
«Было настоящим сюрпризом, что мы смогли синтезировать стабильный материал, содержащий Au2+-сначала я даже не поверила в это»,-сказала Хемамала Карунадаса, доцент химии в Стэнфордской школе гуманитарных наук и старший автор исследования, опубликованного 28 августа в Nature Chemistry. «Создание этого первого в своем роде перовскита Au2+ является захватывающим. Атомы золота в перовските имеют сильное сходство с атомами меди в высокотемпературных сверхпроводниках, а тяжелые атомы с неспаренными электронами, такие как Au2+, демонстрируют холодные магнитные эффекты, не наблюдаемые в более легких атомах».
«Галогенидные перовскиты обладают действительно привлекательными свойствами для многих повседневных применений, поэтому мы стремились расширить это семейство материалов»,-сказал Курт Линдквист, ведущий автор исследования, который проводил исследование в качестве докторанта Стэнфорда, а в настоящее время является аспирантом по неорганической химии в Принстонском университете. «Беспрецедентный перовскит Au2+ может открыть несколько новых интригующих возможностей».
Тяжелые электроны в золоте.
Как элементарный металл, золото издавна ценилось за его относительную редкость, а также непревзойденную пластичность и химическую инертность-это означает, что из него можно легко изготавливать ювелирные изделия и монеты, которые не вступают в реакцию с химическими веществами в окружающей среде и не тускнеют со временем. Дополнительной ключевой причиной его ценности является одноименный цвет золота; возможно, ни один другой металл в чистом виде не имеет такого ярко выраженного насыщенного оттенка.
Фундаментальная физика, стоящая за знаменитым внешним видом золота, также объясняет, почему Au2+ встречается так редко, объяснил Карунадаса.
Основная причина-эти эффекты, первоначально постулированные в знаменитой теории относительности Альберта Эйнштейна. «Эйнштейн научил нас, что когда объекты движутся очень быстро и их скорость приближается к значительной доле скорости света, объекты становятся тяжелее»,-сказал Карунадаса.
Это явление применимо и к частицам и имеет глубокие последствия для «массивных» тяжелых элементов, таких как золото, атомные ядра которого содержат большое количество протонов. Эти частицы в совокупности обладают огромным положительным зарядом, заставляя отрицательно заряженные электроны вращаться вокруг ядра с головокружительной скоростью. Как следствие, электроны становятся тяжелыми и плотно окружают ядро, притупляя его заряд и позволяя внешним электронам дрейфовать дальше, чем в обычных металлах. Эта перегруппировка электронов и их энергетических уровней приводит к тому, что золото поглощает синий свет и, следовательно, кажется нашему глазу желтым.
Немного витамина С.
Исследователи из Стэнфорда обнаружили, что при правильной молекулярной конфигурации Au2 + может сохраняться. Линдквист сказал, что он «наткнулся» на новый перовскит, содержащий Au2+, во время работы над более широким проектом, сосредоточенным на магнитных полупроводниках для использования в электронных устройствах.
«В лаборатории мы можем изготовить этот материал из очень простых ингредиентов примерно за пять минут при комнатной температуре»,-сказал Линдквист. «В итоге мы получаем порошок очень темно-зеленого, почти черного цвета и удивительно тяжелый из-за содержащегося в нем золота».
Понимая, что они, возможно, достигли, так сказать, новой точки соприкосновения в химии, Линдквист провел многочисленные тесты перовскита, включая спектроскопию и дифракцию рентгеновских лучей, чтобы исследовать, как он поглощает свет, и охарактеризовать его кристаллическую структуру. Стэнфордские исследовательские группы по физике и химии, возглавляемые Янгом Ли, профессором прикладной физики и фотонной науки, и Эдвардом Соломоном, профессором химии Монро Э. Спагта и профессором фотонной науки, внесли дальнейший вклад в изучение поведения Au2+.
Эксперименты в конечном счете подтвердили присутствие Au2+ в перовските и в процессе добавили главу к столетней истории химии и физики с участием Лайнуса Полинга, который получил Нобелевскую премию по химии в 1954 году и Нобелевскую премию мира в 1962 году. В начале своей карьеры он работал над золотыми перовскитами, содержащими распространенные формы Au1+ и Au3+. Так совпало, что позже Полинг также изучил структуру витамина С-одного из ингредиентов, необходимых для получения стабильного перовскита, содержащего неуловимый Au2+.
«Нам нравится связь Лайнуса Полинга с нашей работой»,-сказал Карунадаса. «Синтез этого перовскита создает хорошую историю».
Заглядывая в будущее, Карунадаса, Линдквист и их коллеги планируют продолжить изучение нового материала и усовершенствовать его химический состав. Есть надежда, что перовскит Au2+ можно использовать в приложениях, требующих магнетизма и проводимости, поскольку электроны в перовските перескакивают с Au2+ на Au3+.