Một dạng vàng không ổn định được tìm thấy trong tự nhiên là trung tâm của một vật liệu tinh thể mới với những đặc tính thú vị. Lần đầu tiên, các nhà nghiên cứu của Đại học Stanford đã tìm ra cách tạo ra và ổn định một loại vàng cực kỳ hiếm đã mất đi hai electron tích điện âm, được gọi là Au2+. Vật liệu ổn định nguyên tố có giá trị khó nắm bắt này là perovskite halogenua, một vật liệu kết tinh hứa hẹn sẽ có nhiều ứng dụng, bao gồm pin mặt trời, nguồn sáng và linh kiện điện tử hiệu quả hơn.

Đáng ngạc nhiên là Au2+ perovskite cũng có thể được chế tạo nhanh chóng và đơn giản ở nhiệt độ phòng bằng cách sử dụng các nguyên liệu có sẵn.

Hemamala Karunadasa, phó giáo sư hóa học tại Trường Khoa học và Nhân văn của Stanford, đồng thời là tác giả chính của bài báo, cho biết: "Thật đáng ngạc nhiên khi chúng tôi có thể tổng hợp một vật liệu ổn định có chứa Au2+ - Lúc đầu tôi thậm chí còn không tin vào điều đó". "Thật thú vị khi tạo ra perovskite Au2+ chưa từng có này. Các nguyên tử vàng trong perovskite rất giống với các nguyên tử đồng trong chất siêu dẫn nhiệt độ cao và các nguyên tử nặng với các electron chưa ghép cặp như Au 2+) thể hiện hiệu ứng từ tính lạnh chưa từng thấy ở các nguyên tử nhẹ hơn.”

Cấu trúc của perovskite halogenua vàng. Các khối tám mặt clorua vàng thon dài, bao gồm vàng (Au) được bao quanh bởi sáu nguyên tử clo (Cl) liền kề, được tô bóng trong cấu trúc: khối bát diện màu đỏ cháy tượng trưng cho Au2+-clorua và bát diện vàng tượng trưng cho Au3+-clorua. Các quả cầu màu ngọc lam tượng trưng cho các nguyên tử Caesium (Cs), và các quả cầu màu xanh nhạt tượng trưng cho các nguyên tử clo (Cl). Hình nhỏ cho thấy liên kết clorua vàng ngắn nhất. Tín dụng Cardrunadasa và cộng sự. Kurt Lindquist, tác giả chính của nghiên cứu, người thực hiện nghiên cứu với tư cách là nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Đại học Stanford và hiện là học giả sau tiến sĩ về hóa học vô cơ tại Đại học Princeton, cho biết: "Perovskite Halide có những đặc tính rất hấp dẫn cho nhiều ứng dụng hàng ngày, vì vậy chúng tôi luôn tìm cách mở rộng dòng vật liệu này. Perovskite Au2+ chưa từng có có thể mở ra một số con đường mới thú vị".

Các electron nặng trong vàng

Là một kim loại nguyên tố, vàng từ lâu đã được đánh giá cao vì tính khan hiếm tương đối, tính dẻo vô song và tính trơ hóa học, nghĩa là nó có thể dễ dàng chế tạo thành đồ trang sức và tiền xu, không phản ứng với các hóa chất trong môi trường và không bị xỉn màu theo thời gian. Một lý do quan trọng khác tạo nên giá trị của nó là màu sắc trùng tên với vàng. Có thể cho rằng, không có kim loại nào khác có màu sắc phong phú độc đáo như vậy ở trạng thái nguyên chất.

Karunadasa giải thích rằng tính chất vật lý cơ bản đằng sau vẻ ngoài quý giá của vàng cũng giải thích tại sao Au2+ lại hiếm đến vậy.

Nguyên nhân sâu xa là hiệu ứng tương đối tính, ban đầu được đề xuất trong thuyết tương đối nổi tiếng của Albert Einstein. “Einstein nói với chúng tôi rằng khi một vật thể chuyển động rất nhanh và tốc độ của nó đạt tới một phần lớn tốc độ ánh sáng, vật thể đó sẽ trở nên nặng hơn”, Karunadasa nói.

Hiện tượng này cũng áp dụng cho các hạt và gây ra hậu quả sâu sắc đối với các nguyên tố nặng "lớn", chẳng hạn như vàng, có hạt nhân chứa số lượng lớn proton. Cùng với nhau, những hạt này tạo ra một điện tích dương khổng lồ buộc các electron mang điện tích âm quay quanh hạt nhân với tốc độ cực nhanh. Kết quả là các electron trở nên nặng hơn và bao quanh hạt nhân chặt chẽ, làm suy yếu điện tích của nó và khiến các electron bên ngoài trôi xa hơn so với các kim loại thông thường. Sự sắp xếp lại các electron và mức năng lượng của chúng khiến vàng hấp thụ ánh sáng xanh và do đó mắt chúng ta có màu vàng.

Do sự sắp xếp của các electron vàng, theo thuyết tương đối, các nguyên tử tự nhiên xuất hiện dưới dạng Au1+ và Au3+, lần lượt mất đi một hoặc ba electron và bỏ lại Au2+. (“2+” đại diện cho tổng điện tích dương do mất đi hai electron mang điện tích âm và ký hiệu hóa học của vàng “Au” bắt nguồn từ “aurum”, từ tiếng Latin có nghĩa là vàng.)

Squeeze of Vitamin C

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Stanford phát hiện ra rằng Au2+ có thể tồn tại như miễn là cấu trúc phân tử là chính xác. Lindquist cho biết ông “vô tình phát hiện ra” perovskite mới chứa Au2+ khi đang thực hiện một dự án rộng hơn tập trung vào chất bán dẫn từ tính cho các thiết bị điện tử.

Lindquist trộn một loại muối gọi là xêsi clorua và vàng clorua trong nước rồi thêm axit clohydric vào dung dịch, "và một lượng nhỏ vitamin C", ông nói. Trong phản ứng tiếp theo, vitamin C (một loại axit) nhường một electron (tích điện âm) cho Au3+ thông thường, tạo thành Au2+. Điều thú vị là Au2+ ổn định trong perovskite rắn nhưng không ổn định trong dung dịch.

"Trong phòng thí nghiệm, chúng tôi có thể tạo ra vật liệu này trong khoảng năm phút ở nhiệt độ phòng bằng cách sử dụng những nguyên liệu rất đơn giản", Lindquist nói. “Cuối cùng chúng tôi thu được một loại bột màu xanh đậm, gần như đen, nặng một cách đáng kinh ngạc vì có vàng bên trong.”

Có thể nói, nhận thấy rằng họ có thể đã tìm ra một biên giới mới trong hóa học, Lindquist đã thực hiện các thử nghiệm mở rộng trên perovskite, bao gồm quang phổ và nhiễu xạ tia X, để nghiên cứu cách nó hấp thụ ánh sáng và mô tả đặc điểm cấu trúc tinh thể của nó. Một nhóm nghiên cứu về vật lý và hóa học tại Stanford do Young Lee, Giáo sư Vật lý Ứng dụng và Khoa học Quang tử, và Edward Solomon, Giáo sư Hóa học và Giáo sư Khoa học Quang tử Monroe E. Spaght dẫn đầu, đã đóng góp thêm cho nghiên cứu về hoạt động của Au2+.

Những thí nghiệm này cuối cùng đã xác nhận sự hiện diện của Au2+ trong perovskite và trong quá trình này đã thêm một chương mới cho câu chuyện hóa học và vật lý kéo dài hàng thế kỷ của Linus Pauling, người đã đoạt giải Nobel Hóa học năm 1954 và Giải Nobel Hòa bình năm 2017. Năm 1962. Thời kỳ đầu trong sự nghiệp của mình, ông đã nghiên cứu về perovskite vàng chứa các dạng phổ biến Au1+ và Au3+. Thật trùng hợp, sau đó Pauling cũng nghiên cứu cấu trúc của vitamin C, một trong những thành phần cần thiết để tạo ra perovskite ổn định có chứa Au2+ khó nắm bắt.

Trong tương lai, Karunadasa, Lindquist và các đồng nghiệp dự định nghiên cứu sâu hơn về loại vật liệu mới này và điều chỉnh thành phần hóa học của nó. Người ta hy vọng rằng Au2+ perovskite có thể được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi từ tính và độ dẫn điện vì các electron nhảy từ Au2+ sang Au3+ trong perovskite.

Karunadasa cho biết: “Chúng tôi rất vui mừng được khám phá công dụng của Au2+ perovskites”.