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令人驚訝的是，Au2+ 鈣鈦礦在室溫下使用現(xiàn)成的成分也可以快速簡單地制造。

斯坦福大學(xué)人文與科學(xué)學(xué)院化學(xué)副教授、該論文的資深作者 Hemamala Karunadasa 表示：“我們能夠合成一種含有 Au2+ 的穩(wěn)定材料，這真是令人驚訝——一開始我什至都不相信。” 最近發(fā)表在《自然化學(xué)》上的研究。 “創(chuàng)造這種史無前例的 Au2+ 鈣鈦礦是令人興奮的。 鈣鈦礦中的金原子與高溫超導(dǎo)體中的銅原子非常相似，并且具有不成對電子的重原子（例如 Au2+）表現(xiàn)出較輕原子中未見的冷磁效應(yīng)。”

鹵化金鈣鈦礦的結(jié)構(gòu)。 細長的氯化金八面體由被六個相鄰氯 (Cl) 原子包圍的金 (Au) 組成，在結(jié)構(gòu)中帶有陰影：焦紅色八面體代表 Au2+-氯化物，金八面體代表 Au3+-氯化物。 綠松石色球體代表銫 (Cs) 原子，淺綠色球體代表氯 (Cl) 原子。 插圖顯示了最短的氯化金鍵。 信用卡魯納達薩等人。 2023 年。

該研究的主要作者庫爾特·林德奎斯特 (Kurt Lindquist) 表示：“鹵化物鈣鈦礦對于許多日常應(yīng)用來說具有非常有吸引力的特性，因此我們一直在尋求擴展這一材料系列。前所未有的 Au2+ 鈣鈦礦可以開辟一些有趣的新途徑。”他在斯坦福大學(xué)博士生期間進行了這項研究，現(xiàn)在是博士后 普林斯頓大學(xué)無機化學(xué)學(xué)者。

金中的重電子

作為一種元素金屬，黃金長期以來因其相對稀缺性、無與倫比的延展性和化學(xué)惰性而受到重視，這意味著它可以很容易地制成珠寶和硬幣，不會與環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，也不會隨著時間的推移而失去光澤。 其價值的另一個關(guān)鍵原因是黃金的同名顏色。 可以說，沒有任何其他金屬在其純凈狀態(tài)下具有如此獨特豐富的色調(diào)。

Karunadasa 解釋說，黃金備受贊譽的外觀背后的基本物理原理也解釋了為什么 Au2+ 如此稀有。

根本原因是相對論效應(yīng)，最初是在阿爾伯特·愛因斯坦著名的相對論中提出的。 “愛因斯坦告訴我們，當(dāng)物體移動得非常快并且其速度接近光速的很大一部分時，物體就會變得更重，”卡魯納達薩說。

這種現(xiàn)象也適用于粒子，并對“大量”重元素產(chǎn)生深遠的影響，例如金，其原子核擁有大量質(zhì)子。 這些粒子共同產(chǎn)生巨大的正電荷，迫使帶負電的電子以極快的速度圍繞原子核旋轉(zhuǎn)。 結(jié)果，電子變重并緊緊包圍原子核，削弱了其電荷，并使外層電子比典型金屬漂移得更遠。 電子及其能級的這種重新排列導(dǎo)致金吸收藍光，因此在我們的眼睛中呈現(xiàn)黃色。

由于金電子的排列，由于相對論，原子自然以 Au1+ 和 Au3+ 的形式出現(xiàn)，分別失去一個或三個電子，并拋棄 Au2+。 （“2+”表示失去兩個帶負電的電子而產(chǎn)生的凈正電荷，金的化學(xué)符號“Au”來自“aurum”，拉丁語中金的意思。）

維生素C的擠壓

斯坦福大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，只要分子結(jié)構(gòu)正確，Au2+ 就可以持久存在。 Lindquist 表示，他在致力于一個以用于電子設(shè)備的磁性半導(dǎo)體為中心的更廣泛項目時“偶然發(fā)現(xiàn)”了新型含 Au2+ 鈣鈦礦。

Lindquist 將一種叫做氯化銫的鹽和氯化金混合在水中，并向溶液中添加鹽酸，“還加入了少量維生素 C”，他說。 在隨后的反應(yīng)中，維生素 C（一種酸）向常見的 Au3+ 提供一個（帶負電的）電子，形成 Au2+。 有趣的是，Au2+ 在固體鈣鈦礦中穩(wěn)定，但在溶液中不穩(wěn)定。

“在實驗室中，我們可以使用非常簡單的成分在室溫下在大約五分鐘內(nèi)制造出這種材料，”Lindquist說。 “我們最終得到了一種深綠色、近乎黑色的粉末，而且由于其中含有黃金，所以重量驚人。”

Lindquist認識到他們可能已經(jīng)找到了新的化學(xué)領(lǐng)域，可以說，他對鈣鈦礦進行了大量測試，包括光譜學(xué)和 X 射線衍射，以研究它如何吸收光并表征其晶體結(jié)構(gòu)。 由應(yīng)用物理學(xué)和光子科學(xué)教授 Young Lee 和 Monroe E. Spaght 化學(xué)教授兼光子科學(xué)教授 Edward Solomon 領(lǐng)導(dǎo)的斯坦福大學(xué)物理和化學(xué)研究小組進一步為研究 Au2+ 的行為做出了貢獻。

這些實驗最終證實了鈣鈦礦中存在 Au2+，并在此過程中為萊納斯·鮑林 (Linus Pauling) 的百年化學(xué)和物理學(xué)故事增添了新的篇章，他于 1954 年獲得諾貝爾化學(xué)獎，并于 2017 年獲得諾貝爾和平獎。 1962 年。在他的職業(yè)生涯早期，他致力于研究含有常見形式 Au1+ 和 Au3+ 的金鈣鈦礦。 巧合的是，鮑林后來還研究了維生素 C 的結(jié)構(gòu)，維生素 C 是產(chǎn)生含有難以捉摸的 Au2+ 的穩(wěn)定鈣鈦礦所需的成分之一。

展望未來，Karunadasa、Lindquist 及其同事計劃進一步研究這種新材料并調(diào)整其化學(xué)成分。 希望 Au2+ 鈣鈦礦可用于需要磁性和導(dǎo)電性的應(yīng)用，因為電子在鈣鈦礦中從 Au2+ 跳躍到 Au3+。

“我們很高興探索 Au2+ 鈣鈦礦的用途，”Karunadasa 說。