Forscher entdecken neues Material, das mit Gold in einem exotischen chemischen Zustand angereichert ist

Zum ersten Mal haben Stanford-Forscher einen Weg gefunden, eine äußerst seltene Form von Gold zu erzeugen und zu stabilisieren, die zwei negativ geladene Elektronen verloren hat, genannt Au2+. Das Material, das diese schwer fassbare Version des geschätzten Elements stabilisiert, ist ein Halogenidperowskit – eine Klasse kristalliner Materialien, die vielversprechend für verschiedene Anwendungen ist, darunter effizientere Solarzellen, Lichtquellen und Elektronikkomponenten.

Überraschenderweise lässt sich der Au2+-Perowskit auch schnell und einfach aus handelsüblichen Zutaten bei Raumtemperatur herstellen.

„Es war eine echte Überraschung, dass wir ein stabiles Material mit Au2+ synthetisieren konnten – ich habe es zunächst nicht einmal geglaubt“, sagte Hemamala Karunadasa, außerordentliche Professorin für Chemie an der Stanford School of Humanities and Sciences und leitende Autorin des Buches Studie veröffentlicht am 28. August in Naturchemie. „Die Herstellung dieses ersten Au2+-Perowskits seiner Art ist aufregend. Die Goldatome im Perowskit weisen starke Ähnlichkeiten mit den Kupferatomen in Hochtemperatur-Supraleitern auf, und schwere Atome mit ungepaarten Elektronen, wie Au2+, zeigen coole magnetische Effekte, die man bisher nicht gesehen hat.“ in leichteren Atomen.

„Halogenid-Perowskite besitzen wirklich attraktive Eigenschaften für viele alltägliche Anwendungen, daher haben wir versucht, diese Materialfamilie zu erweitern“, sagte er Kurt Lindquist, der Hauptautor der Studie, der die Forschung als Stanford-Doktorand durchgeführt hat und jetzt Postdoktorand für anorganische Chemie an der Princeton University ist. „Ein beispielloser Au2+-Perowskit könnte einige faszinierende neue Wege eröffnen.“

Schwere Elektronen in Gold

Als elementares Metall wird Gold seit langem wegen seiner relativen Seltenheit sowie seiner unübertroffenen Formbarkeit und chemischen Inertheit geschätzt – das bedeutet, dass es leicht zu Schmuck und Münzen geformt werden kann, die nicht mit Chemikalien in der Umwelt reagieren und mit der Zeit anlaufen. Ein weiterer wichtiger Grund für seinen Wert ist die namensgebende Farbe von Gold. Wohl kein anderes Metall hat in reinem Zustand einen so ausgeprägt satten Farbton.

Die grundlegende Physik hinter dem gefeierten Aussehen von Gold erklärt auch, warum Au2+ so selten ist, erklärte Karunadasa.

Der Grund dafür sind relativistische Effekte, die ursprünglich in Albert Einsteins berühmter Relativitätstheorie postuliert wurden. „Einstein hat uns gelehrt, dass Objekte schwerer werden, wenn sie sich sehr schnell bewegen und ihre Geschwindigkeit einen erheblichen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit erreicht“, sagte Karunadasa.

Dieses Phänomen gilt auch für Teilchen und hat tiefgreifende Folgen für „massive“ schwere Elemente wie Gold, deren Atomkerne über eine große Anzahl von Protonen verfügen. Diese Teilchen üben gemeinsam eine enorme positive Ladung aus und zwingen negativ geladene Elektronen, mit halsbrecherischer Geschwindigkeit um den Kern zu wirbeln. Die Folge ist, dass die Elektronen schwerer werden und den Kern eng umschließen, wodurch seine Ladung abgeschwächt wird und es den äußeren Elektronen ermöglicht wird, weiter zu driften als in typischen Metallen. Diese Neuordnung der Elektronen und ihrer Energieniveaus führt dazu, dass Gold blaues Licht absorbiert und daher für unser Auge gelb erscheint.

Aufgrund der relativitätsbedingten Anordnung der Elektronen von Gold kommt das Atom natürlicherweise als Au1+ und Au3+ vor, wobei es ein bzw. drei Elektronen verliert und Au2+ verschmäht. (Die „2+“ weist auf eine positive Nettoladung aus dem Verlust zweier negativ geladener Elektronen hin, und das chemische Symbol „Au“ für Gold stammt von „aurum“, dem lateinischen Wort für Gold.)

Ein Spritzer Vitamin C

Mit genau der richtigen Molekülkonfiguration kann Au2+ bestehen bleiben, fanden die Stanford-Forscher heraus. Lindquist sagte, er sei „auf den neuen Au2+-haltigen Perowskit gestoßen“, als er an einem umfassenderen Projekt arbeitete, das sich mit magnetischen Halbleitern für den Einsatz in elektronischen Geräten beschäftigte.

Lindquist mischte ein Salz namens Cäsiumchlorid und Au3+-Chlorid in Wasser und fügte der Lösung Salzsäure hinzu, „mit etwas Vitamin C“, sagte er. In der folgenden Reaktion gibt Vitamin C (eine Säure) ein (negativ geladenes) Elektron an das gemeinsame Au3+ ab und bildet Au2+. Interessanterweise ist Au2+ im festen Perowskit stabil, jedoch nicht in Lösung.

„Im Labor können wir dieses Material aus sehr einfachen Zutaten in etwa fünf Minuten bei Raumtemperatur herstellen“, sagte Lindquist. „Am Ende erhalten wir ein Pulver, das sehr dunkelgrün, fast schwarz und aufgrund des darin enthaltenen Goldes überraschend schwer ist.“

Lindquist erkannte, dass sie sozusagen auf neues chemisches Fachgebiet gestoßen waren, und führte zahlreiche Tests am Perowskit durch, darunter Spektroskopie und Röntgenbeugung, um zu untersuchen, wie er Licht absorbiert, und um seine Kristallstruktur zu charakterisieren. Stanford-Forschungsgruppen in Physik und Chemie unter der Leitung von Young Lee, Professor für angewandte Physik und Photonenwissenschaft, und Edward Solomon, Monroe E. Spaght-Professor für Chemie und Professor für Photonenwissenschaft, trugen außerdem zur Untersuchung des Verhaltens von Au2+ bei.

Die Experimente bestätigten schließlich das Vorhandensein von Au2+ in einem Perowskit und fügten damit ein Kapitel zu einer jahrhundertealten Geschichte der Chemie und Physik hinzu, an der Linus Pauling beteiligt war, der 1954 den Nobelpreis für Chemie und 1954 den Friedensnobelpreis erhielt 1962. Zu Beginn seiner Karriere arbeitete er an Goldperowskiten, die die gängigen Formen Au1+ und Au3+ enthielten. Zufälligerweise untersuchte Pauling später auch die Struktur von Vitamin C – einem der Bestandteile, die zur Herstellung eines stabilen Perowskits erforderlich sind, der das schwer fassbare Au2+ enthält.

„Wir lieben Linus Paulings Verbindung zu unserer Arbeit“, sagte Karunadasa. „Die Synthese dieses Perowskits ist eine gute Geschichte.“

Mit Blick auf die Zukunft planen Karunadasa, Lindquist und Kollegen, das neue Material weiter zu untersuchen und seine Chemie zu optimieren. Die Hoffnung besteht darin, dass ein Au2+-Perowskit in Anwendungen eingesetzt werden kann, die Magnetismus und Leitfähigkeit erfordern, da Elektronen im Perowskit von Au2+ zu Au3+ springen.

„Wir sind gespannt, was ein Au2+-Perowskit bewirken könnte“, sagte Karunadasa.