Химики из России открыли «невозможное» соединение золота

Ученые из России и Германии раскрыли секрет устойчивости калаверита, странного и редкого минерала золота, и нашли свидетельства того, что этот благородный металл может образовать крайне необычное соединение с теллуром. Их выводы и расчеты были представлены в журнале PNAS.

«У минерала калаверита удивительная судьба. Заметно повлиявший на “золотую лихорадку”, он много десятилетий был головной болью и большим парадоксом для кристаллографов. Чем глубже его изучали, тем больше новых вопросов возникало. Нашему коллективу удалось связать все странности калаверита в рамках простой модели, а экспериментаторы теперь могут охотиться за предсказанным нами новым соединением» — рассказывает Артем Оганов, профессор Сколтеха и МФТИ.

Золото, в отличие от большинства других металлов, обладает высокой химической инертностью и практически не встречается в природе в форме крупных залежей различных соединений с другими элементами. Большая часть запасов золота, добытых человечеством до начала 20 века, была найдена в виде самородков и чистых залежей этого металла.

Единственное исключение из этого правила — минерал калаверит, соединение золота и теллура, AuTe2. Он давно интересует не только золотодобытчиков, но и химиков и физиков, так как калаверит обладает крайне необычной структурой, которую нельзя объяснить в рамках классического учения о строении кристаллов. Только относительно недавно ученые решили загадку его устройства, описав его в четырехмерном пространстве.

Это описание, как отмечают Оганов и его коллеги, породило новую проблему — золото в подобных кристаллах будет обладать «неправильной» степенью окисления — +2, что будет делать их нестабильными с точки зрения химии.

Российские ученые и их немецкие коллеги выяснили, почему калаверит все же существует, используя систему USPEX, созданную Огановым несколько лет назад для предсказания свойств химических элементов и кристаллов.

Для этого ученым сначала пришлось подумать над тем, как можно просчитать свойства столь сложного соединения. Они нашли выход из этой ситуации, используя другой природный минерал золота — сильванит, его соединение с теллуром и серебром, в качестве своеобразного «шаблона» для просчета свойств отдельных частей калаверита.

Просчитав свойства сильванита и заменив атомы серебра на золото, Оганов и его команда выяснили, что калаверит состоит не из золота, окисленного до степени +2, а смеси атомов в двух разных степенях окисления — +1 и +3, распределенных по кристаллу особым образом.

«Разместить одновалентное и трехвалентное золото, даже если бы оно существовало, так, чтобы они одинаково повторялись в каждом направлении, на треугольной решетке калаверита просто невозможно. Поэтому природа вынуждена идти на компромисс — плавно изменять валентность золота в кристалле. Окружение теллура реагирует на это, что и приводит к необычным искажениям кристаллической решетки», — поясняет Сергей Стрельцов из Института физики металлов РАН в Екатеринбурге.

Эти же расчеты, как отмечают ученые, раскрыли несколько интересных и необычных свойств калаверита. В частности, выяснилось, что его можно превратить в сверхпроводник, сжав до сверхвысоких давлений или добавив в него атомы платины и некоторых других металлов. Подобное поведение, по словам химиков, не характерно для соединений золота.

Вдобавок, расчеты Оганова и его коллег показывают, что возможно существование еще одного «невозможного» соединения золота и теллура, AuTe. Как предполагает химик, оно тоже будет обладать необычной структурой и интересными свойствами, в том числе и сверхпроводимостью.