Nuevo material infundido con oro en un estado químico exótico

Una forma de oro que no se encuentra de manera estable en la naturaleza es el corazón de un nuevo material cristalino con propiedades intrigantes.

Por primera vez, investigadores de Stanford han encontrado una manera de crear y estabilizar una forma extremadamente rara de oro que ha perdido dos electrones cargados negativamente, denominados Au2+.

El material que estabiliza esta esquiva versión del valioso elemento es una perovskita de haluro, una clase de materiales cristalinos que resulta muy prometedor para diversas aplicaciones, incluidas células solares, fuentes de luz y componentes electrónicos más eficientes.

Sorprendentemente, la perovskita Au2+ también es rápida y sencilla de preparar utilizando ingredientes disponibles en el mercado a temperatura ambiente.

"Fue una verdadera sorpresa que pudiéramos sintetizar un material estable que contenía Au2+; al principio ni siquiera lo creía", dijo en un comunicado Hemamala Karunadasa, profesora asociada de química en la Escuela de Humanidades y Ciencias de Stanford y autora principal del estudio. publicado en Nature Chemistry. "Crear esta perovskita Au2+, la primera de su tipo, es emocionante. Los átomos de oro en la perovskita tienen grandes similitudes con los átomos de cobre en los superconductores de alta temperatura, y los átomos pesados con electrones desapareados, como Au2+, muestran efectos magnéticos fríos no vistos en átomos más ligeros."

"Las perovskitas de haluro poseen propiedades realmente atractivas para muchas aplicaciones cotidianas, por lo que hemos estado buscando expandir esta familia de materiales", dijo Kurt Lindquist, autor principal del estudio que realizó la investigación como estudiante de doctorado en Stanford y ahora investiga en Princeton. "Una perovskita Au2+ sin precedentes podría abrir nuevas e interesantes vías".

Como metal elemental, el oro ha sido valorado durante mucho tiempo por su relativa escasez, así como por su incomparable maleabilidad e inercia química, lo que significa que se puede transformar fácilmente en joyas y monedas que no reaccionan con los químicos del medio ambiente y no se empañan con el tiempo. Una razón clave adicional de su valor es el color homónimo del oro; Podría decirse que ningún otro metal en su estado puro tiene un tono tan rico y distintivo.

La física fundamental detrás de la aclamada apariencia del oro también explica por qué Au2+ es tan raro, explicó Karunadasa.

La razón fundamental son los efectos relativistas, originalmente postulados en la famosa teoría de la relatividad de Albert Einstein. "Einstein nos enseñó que cuando los objetos se mueven muy rápido y su velocidad se acerca a una fracción significativa de la velocidad de la luz, los objetos se vuelven más pesados", dijo Karunadasa.

Este fenómeno se aplica también a las partículas y tiene profundas consecuencias para los elementos pesados "masivos", como el oro, cuyos núcleos atómicos cuentan con un gran número de protones. Estas partículas ejercen colectivamente una inmensa carga positiva, lo que obliga a los electrones cargados negativamente a girar alrededor del núcleo a velocidades vertiginosas. Como consecuencia, los electrones se vuelven pesados y rodean estrechamente el núcleo, atenuando su carga y permitiendo que los electrones externos se desvíen más lejos que en los metales típicos. Esta reordenación de los electrones y sus niveles de energía hace que el oro absorba la luz azul y, por lo tanto, parezca amarillo a nuestros ojos.

Debido a la disposición de los electrones del oro, gracias a la relatividad, el átomo se presenta naturalmente como Au1+ y Au3+, perdiendo uno o tres electrones, respectivamente, y despreciando Au2+. (El "2+" indica una carga neta positiva debido a la pérdida de dos electrones cargados negativamente, y el símbolo químico "Au" para el oro proviene de "aurum", la palabra latina para oro).

Con la configuración molecular adecuada, el Au2+ puede perdurar, descubrieron los investigadores de Stanford. Lindquist dijo que "tropezó" con la nueva perovskita que alberga Au2+ mientras trabajaba en un proyecto más amplio centrado en semiconductores magnéticos para su uso en dispositivos electrónicos.

Lindquist mezcló una sal llamada cloruro de cesio y cloruro de Au3+ en agua y añadió ácido clorhídrico a la solución "con un poco de vitamina C", dijo. En la reacción resultante, la vitamina C (un ácido) dona un electrón (cargado negativamente) al Au3+ común formando Au2+. Curiosamente, el Au2+ es estable en la perovskita sólida pero no en solución.

"En el laboratorio, podemos fabricar este material utilizando ingredientes muy simples en unos cinco minutos a temperatura ambiente", dijo Lindquist. "Terminamos con un polvo de color verde muy oscuro, casi negro, y sorprendentemente pesado debido al oro que contiene".

Al reconocer que podrían haber topado con nuevos desechos químicos, por así decirlo, Lindquist realizó numerosas pruebas en la perovskita, incluidas espectroscopia y difracción de rayos X, para investigar cómo absorbe la luz y caracterizar su estructura cristalina. Los grupos de investigación de Stanford en física y química dirigidos por Young Lee, profesor de física aplicada y ciencia fotónica, y Edward Solomon, profesor de química Monroe E. Spaght y profesor de ciencia fotónica, contribuyeron aún más al estudio del comportamiento de Au2+.