Pour la première fois, des chercheurs de Stanford ont trouvé un moyen de créer et de stabiliser une forme d’or extrêmement rare qui a perdu deux électrons chargés négativement, notés Au2+. Le matériau stabilisant cette version insaisissable de l’élément précieux est une pérovskite halogénure, une classe de matériaux cristallins très prometteurs pour diverses applications, notamment des cellules solaires, des sources de lumière et des composants électroniques plus efficaces.
Étonnamment, la pérovskite Au2+ est également rapide et simple à préparer en utilisant des ingrédients du commerce à température ambiante.
« C’était une véritable surprise que nous soyons capables de synthétiser un matériau stable contenant Au2+ – je n’y croyais même pas au début », a déclaré Hemamala Karunadasa, professeur agrégé de chimie à la Stanford School of Humanities and Sciences et auteur principal de l’étude. étude publiée le 28 août dans Chimie naturelle. « La création de cette pérovskite Au2+, première en son genre, est passionnante. Les atomes d’or de la pérovskite présentent de fortes similitudes avec les atomes de cuivre des supraconducteurs à haute température, et les atomes lourds avec des électrons non appariés, comme Au2+, présentent des effets magnétiques froids jamais observés. dans des atomes plus légers.
« Les pérovskites aux halogénures possèdent des propriétés vraiment intéressantes pour de nombreuses applications quotidiennes. Nous avons donc cherché à élargir cette famille de matériaux », a déclaré Kurt Lindquist, l’auteur principal de l’étude qui a mené la recherche en tant qu’étudiant au doctorat à Stanford et est maintenant chercheur postdoctoral en chimie inorganique à l’Université de Princeton. « Une pérovskite Au2+ sans précédent pourrait ouvrir de nouvelles voies intrigantes. »
Électrons lourds dans l’or
En tant que métal élémentaire, l’or a longtemps été apprécié pour sa relative rareté ainsi que pour sa malléabilité et son inertie chimique inégalées, ce qui signifie qu’il peut être facilement transformé en bijoux et en pièces de monnaie qui ne réagissent pas avec les produits chimiques présents dans l’environnement et ne ternissent pas avec le temps. Une autre raison clé de sa valeur est la couleur homonyme de l’or ; sans doute aucun autre métal à l’état pur n’a une teinte aussi riche.
La physique fondamentale derrière l’apparence acclamée de l’or explique également pourquoi Au2+ est si rare, a expliqué Karunadasa.
La raison fondamentale réside dans les effets relativistes, postulés à l’origine dans la célèbre théorie de la relativité d’Albert Einstein. « Einstein nous a appris que lorsque les objets se déplacent très rapidement et que leur vitesse approche une fraction significative de la vitesse de la lumière, les objets deviennent plus lourds », a déclaré Karunadasa.
Ce phénomène s’applique également aux particules et a de profondes conséquences pour les éléments lourds « massifs », comme l’or, dont les noyaux atomiques contiennent un grand nombre de protons. Ces particules exercent collectivement une immense charge positive, forçant les électrons chargés négativement à tourbillonner autour du noyau à des vitesses vertigineuses. En conséquence, les électrons deviennent lourds et entourent étroitement le noyau, atténuant sa charge et permettant aux électrons externes de dériver plus loin que dans les métaux classiques. Ce réarrangement des électrons et de leurs niveaux d’énergie conduit à ce que l’or absorbe la lumière bleue et apparaisse donc jaune à nos yeux.
En raison de la disposition des électrons de l’or, grâce à la relativité, l’atome se présente naturellement sous la forme Au1+ et Au3+, perdant respectivement un ou trois électrons et rejetant Au2+. (Le « 2+ » indique une charge positive nette résultant de la perte de deux électrons chargés négativement, et le symbole chimique « Au » pour l’or vient de « aurum », le mot latin pour l’or.)
Un peu de vitamine C
Avec la bonne configuration moléculaire, Au2+ peut durer, ont découvert les chercheurs de Stanford. Lindquist a déclaré qu’il était « tombé sur » la nouvelle pérovskite contenant Au2+ alors qu’il travaillait sur un projet plus vaste centré sur les semi-conducteurs magnétiques destinés à être utilisés dans les appareils électroniques.
Lindquist a mélangé un sel appelé chlorure de césium et du chlorure Au3+ dans de l’eau et a ajouté de l’acide chlorhydrique à la solution « avec un peu de vitamine C ajouté », a-t-il déclaré. Dans la réaction qui s’ensuit, la vitamine C (un acide) donne un électron (chargé négativement) au Au3+ commun, formant Au2+. Curieusement, Au2+ est stable dans la pérovskite solide mais pas en solution.
« En laboratoire, nous pouvons fabriquer ce matériau en utilisant des ingrédients très simples en cinq minutes environ à température ambiante », a déclaré Lindquist. « On se retrouve avec une poudre vert très foncé, presque noire, étonnamment lourde en raison de l’or qu’elle contient. »
Reconnaissant qu’ils pourraient avoir touché un nouveau but en matière de chimie, pour ainsi dire, Lindquist a effectué de nombreux tests sur la pérovskite, notamment la spectroscopie et la diffraction des rayons X, pour étudier comment elle absorbe la lumière et caractériser sa structure cristalline. Les groupes de recherche de Stanford en physique et chimie dirigés par Young Lee, professeur de physique appliquée et de science des photons, et Edward Solomon, professeur de chimie Monroe E. Spaght et professeur de science des photons, ont également contribué à l’étude du comportement de Au2+.
Les expériences ont finalement confirmé la présence d’Au2+ dans une pérovskite et, ce faisant, ont ajouté un chapitre à une histoire centenaire de chimie et de physique impliquant Linus Pauling, qui a reçu le prix Nobel de chimie en 1954 et le prix Nobel de la paix en 1954. 1962. Au début de sa carrière, il a travaillé sur des pérovskites d’or contenant les formes communes Au1+ et Au3+. Par coïncidence, Pauling a également étudié plus tard la structure de la vitamine C, l’un des ingrédients nécessaires pour produire une pérovskite stable contenant l’insaisissable Au2+.
« Nous aimons le lien qui existe entre Linus Pauling et notre travail », a déclaré Karunadasa. « La synthèse de cette pérovskite constitue une bonne histoire. »
Pour l’avenir, Karunadasa, Lindquist et leurs collègues prévoient d’étudier davantage le nouveau matériau et de peaufiner sa chimie. L’espoir est qu’une pérovskite Au2+ puisse être utilisée dans des applications nécessitant du magnétisme et de la conductivité lorsque les électrons sautent de Au2+ à Au3+ dans la pérovskite.
« Nous sommes ravis d’explorer ce qu’une pérovskite Au2+ pourrait faire », a déclaré Karunadasa.
Plus d’information:
Kurt P. Lindquist et al, Stabilisation de Au2+ dans une pérovskite aux halogénures 3D à valence mixte, Chimie naturelle (2023). DOI : 10.1038/s41557-023-01305-y