Nuovo materiale infuso con oro in stato chimico esotico

Per la prima volta, i ricercatori di Stanford hanno trovato un modo per creare e stabilizzare una forma sporadica di oro che ha perso due elettroni caricati negativamente, indicati con Au²⁺.

Il materiale che stabilizza questa sfuggente versione del prezioso elemento è una perovskite alogenuro, una classe di materiali cristallini che rappresenta una grande promessa per varie applicazioni, tra cui celle solari più efficienti, sorgenti luminose e componenti elettronici.

Struttura della perovskite agli alogenuri d’oro. Gli ottaedri allungati di cloruro d’oro, composti da oro (Au) circondato da sei atomi vicini di cloro (Cl), sono ombreggiati nella struttura: gli ottaedri rosso bruciato rappresentano il cloruro Au2+ e gli ottaedri d’oro rappresentano il cloruro Au3+. Le sfere turchesi rappresentano gli atomi di cesio (Cs) e le sfere verde chiaro rappresentano gli atomi di cloro (Cl). L’inserto mostra i legami cloruro d’oro più corti. Credito immagine: Karunadasa et al. 2023.

Sorprendentemente, l’Au²⁺ la perovskite è anche semplice e veloce da realizzare utilizzando ingredienti disponibili in commercio a temperatura ambiente.

“È stata una vera sorpresa essere riusciti a sintetizzare un materiale stabile contenente Au²⁺“All’inizio non ci credevo nemmeno”, disse Hemamala Karunadasaprofessore associato di chimica presso la Stanford School of Humanities and Sciences e autore senior dello studio pubblicato nel Chimica della natura.

“La creazione di questo Au²⁺ la perovskite è eccitante. Gli atomi di oro nella perovskite sono simili agli atomi di rame nei superconduttori ad alta temperatura e agli atomi pesanti con elettroni spaiati, come Au²⁺mostrano fantastici effetti magnetici non osservati negli atomi più leggeri.

“Le perovskiti alogenuri possiedono proprietà davvero interessanti per molte applicazioni quotidiane, quindi abbiamo cercato di espandere questa famiglia di materiali”, ha affermato Kurt Lindquistl’autore principale dello studio che ha condotto la ricerca come studente di dottorato a Stanford e ora è uno studioso post-dottorato in chimica inorganica presso l’Università di Princeton.

“Un Au senza precedenti²⁺ la perovskite potrebbe aprire alcune nuove strade intriganti”.

Scaglie d’oro – foto associativa. Credito immagine: SushiHue tramite Pixabay, licenza gratuita

Elettroni pesanti nell’oro

Essendo un metallo elementare, l’oro è stato a lungo apprezzato per la sua relativa scarsità, nonché per la sua impareggiabile malleabilità e inerzia chimica, il che significa che può essere facilmente modellato in gioielli e monete che non reagiscono con le sostanze chimiche presenti nell’ambiente e non si ossidano nel tempo.

Un’ulteriore ragione chiave del suo valore è il colore omonimo dell’oro; probabilmente nessun altro metallo allo stato puro ha una tonalità così distintamente ricca.

La fisica fondamentale dietro l’acclamata comparsa dell’oro spiega anche perché Au²⁺ è così raro, ha spiegato Karunadasa.

La ragione principale sono gli effetti relativistici, originariamente postulati nella famosa teoria della relatività di Albert Einstein. “Einstein ci ha insegnato che quando gli oggetti si muovono molto velocemente e la loro velocità si avvicina a una frazione significativa della velocità della luce, gli oggetti diventano più pesanti”, ha detto Karunadasa.

Questo fenomeno vale anche per le particelle e ha profonde conseguenze per gli elementi pesanti “massicci”, come l’oro, i cui nuclei atomici vantano un gran numero di protoni. Queste particelle esercitano collettivamente un’enorme carica positiva, costringendo gli elettroni carichi negativamente a ruotare attorno al nucleo a velocità vertiginosa.

Di conseguenza, gli elettroni diventano pesanti e circondano strettamente il nucleo, attenuandone la carica e consentendo agli elettroni esterni di spostarsi più lontano rispetto ai metalli tipici. Questa riorganizzazione degli elettroni e dei loro livelli energetici fa sì che l’oro assorba la luce blu e quindi appaia giallo ai nostri occhi.

A causa della disposizione degli elettroni dell’oro, grazie alla relatività, l’atomo si presenta naturalmente come Au¹⁺ e Au³⁺perdendo rispettivamente uno o tre elettroni e disprezzando Au²⁺. (Il “2+” indica una carica positiva netta derivante dalla perdita di due elettroni caricati negativamente, e il simbolo chimico “Au” per l’oro deriva da “aurum”, la parola latina per oro.)

Una spruzzata di vitamina C

Con la giusta configurazione molecolare, Au²⁺ può resistere, hanno scoperto i ricercatori di Stanford. Lindquist ha detto di essersi “imbattuto” nel nuovo Au²⁺-ospitare perovskite mentre lavorava a un progetto più ampio incentrato sui semiconduttori magnetici da utilizzare nei dispositivi elettronici.

Lindquist mescolò un sale chiamato cloruro di cesio e Au³⁺-cloridrato insieme in acqua e aggiunto acido cloridrico alla soluzione “con un po’ di vitamina C gettata dentro”, ha detto. Nella reazione che segue, la vitamina C (un acido) dona un elettrone (con carica negativa) al comune Au³⁺ formando Au²⁺. Curiosamente, Au²⁺ è stabile nella perovskite solida ma non in soluzione.

“In laboratorio, possiamo realizzare questo materiale utilizzando ingredienti molto semplici in circa cinque minuti a temperatura ambiente”, ha affermato Lindquist. “Ci ritroviamo con una polvere di un verde molto scuro, quasi nero, ed è sorprendentemente pesante a causa dell’oro che contiene.”

Riconoscendo che potrebbero aver colpito un nuovo terreno fertile per la chimica, per così dire, Lindquist ha eseguito numerosi test sulla perovskite, tra cui la spettroscopia e la diffrazione dei raggi X, per indagare su come assorbe la luce e per caratterizzare la sua struttura cristallina.

Gruppi di ricerca di fisica e chimica di Stanford guidati da Il giovane Leeprofessore di fisica applicata e di scienza dei fotoni, e Edoardo Salomoneil professore di chimica Monroe E. Spaght e professore di scienza dei fotoni, contribuì ulteriormente a studiare il comportamento di Au²⁺.

Gli esperimenti alla fine hanno confermato la presenza di Au²⁺ in una perovskite e, così facendo, aggiunse un capitolo a una storia secolare di chimica e fisica che coinvolgeva Linus Pauling, che ricevette il Premio Nobel per la Chimica nel 1954 e il Premio Nobel per la Pace nel 1962.

All’inizio della sua carriera, lavorò su perovskiti d’oro contenenti le forme comuni Au¹⁺ e Au³⁺. Per coincidenza, Pauling in seguito studiò anche la struttura della vitamina C, uno degli ingredienti necessari per produrre una perovskite stabile contenente l’inafferrabile Au²⁺.

“Amiamo il legame di Linus Pauling con il nostro lavoro”, ha detto Karunadasa. “La sintesi di questa perovskite costituisce una bella storia.”

Guardando al futuro, Karunadasa, Lindquist e colleghi intendono studiare ulteriormente il nuovo materiale e modificarne la chimica. La speranza è che un Au²⁺ la perovskite può essere utilizzata in applicazioni che richiedono magnetismo e conduttività poiché gli elettroni saltano dall’Au²⁺ ad Au³⁺ nella perovskite.

“Siamo entusiasti di esplorare ciò che un Au²⁺ la perovskite potrebbe andare bene”, ha detto Karunadasa.

Fonte: Università di Stanford