Una forma inestable de oro que se encuentra en la naturaleza es la base de un nuevo material cristalino con propiedades interesantes. Por primera vez, investigadores de la Universidad de Stanford han encontrado una manera de crear y estabilizar un tipo de oro extremadamente raro que ha perdido dos de sus electrones cargados negativamente, llamado Au2+. El material que estabiliza este elemento valioso y esquivo es una perovskita de haluro, un material cristalino que es muy prometedor para una variedad de aplicaciones, incluidas células solares, fuentes de luz y componentes electrónicos más eficientes.

Sorprendentemente, las perovskitas Au2+ también se pueden preparar de forma rápida y sencilla a temperatura ambiente utilizando ingredientes disponibles en el mercado.

"Es realmente sorprendente que hayamos podido sintetizar un material estable que contenga Au2+; al principio ni siquiera lo creía", dijo Hemamala Karunadasa, profesora asociada de química en la Facultad de Humanidades y Ciencias de Stanford y autora principal del artículo, que se publicó recientemente en Nature Chemistry. "La creación de esta perovskita Au2+ sin precedentes es emocionante. Los átomos de oro en la perovskita son muy similares a los átomos de cobre en los superconductores de alta temperatura, y los átomos pesados ​​con electrones desapareados, como el Au2+, exhiben efectos magnéticos fríos que no se ven en átomos más ligeros".

Estructura de perovskitas de haluro de oro. Los octaedros alargados de cloruro de oro, compuestos de oro (Au) rodeado por seis átomos de cloro (Cl) adyacentes, están sombreados en la estructura: el octaedro rojo quemado representa el cloruro de Au2+ y el octaedro de oro representa el cloruro de Au3+. Las esferas de color turquesa representan átomos de cesio (Cs) y las esferas de color verde claro representan átomos de cloro (Cl). El recuadro muestra el enlace cloruro de oro más corto. Tarjeta de Créditorunadasa et al. 2023.

"Las perovskitas de haluro tienen propiedades muy atractivas para muchas aplicaciones cotidianas, por lo que siempre estamos buscando expandir esta familia de materiales. Las perovskitas Au2+ sin precedentes podrían abrir nuevas vías interesantes", dijo Kurt Lindquist, autor principal del estudio, quien realizó la investigación como estudiante de doctorado en la Universidad de Stanford y ahora es investigador postdoctoral en química inorgánica en la Universidad de Princeton.

Electrones pesados ​​en oro.

Como metal elemental, el oro ha sido valorado durante mucho tiempo por su relativa escasez, ductilidad incomparable e inercia química, lo que significa que puede elaborarse fácilmente en joyas y monedas, no reacciona con productos químicos del medio ambiente y no se empaña con el tiempo. Otra razón clave de su valor es el color homónimo del oro. Podría decirse que ningún otro metal tiene un tono tan rico y singular en su estado puro.

Karunadasa explica que la física básica detrás de la tan elogiada apariencia del oro también explica por qué el Au2+ es tan raro.

La causa subyacente es un efecto relativista, propuesto originalmente en la famosa teoría de la relatividad de Albert Einstein. "Einstein nos dijo que cuando un objeto se mueve muy rápido y su velocidad se acerca a una gran fracción de la velocidad de la luz, el objeto se vuelve más pesado", dijo Karunadasa.

Este fenómeno se aplica también a las partículas y tiene profundas consecuencias para los elementos pesados ​​"grandes", como el oro, cuyos núcleos poseen un gran número de protones. Juntas, estas partículas crean una enorme carga positiva que obliga a los electrones cargados negativamente a girar alrededor del núcleo a velocidades extremadamente rápidas. Como resultado, los electrones se vuelven más pesados ​​y rodean estrechamente el núcleo, debilitando su carga y provocando 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 tanto, parezca amarillo a nuestros ojos.

Debido a la disposición de los electrones del oro, debido a la teoría de la relatividad, los átomos aparecen naturalmente como Au1+ y Au3+, perdiendo uno o tres electrones respectivamente, y abandonando Au2+. (El "2+" representa la carga positiva neta resultante de la pérdida de dos electrones cargados negativamente, y el símbolo químico del oro "Au" proviene de "aurum", la palabra latina para oro).

Exprimido de vitamina C

Investigadores de la Universidad de Stanford han descubierto que Au2+ puede persistir mientras la estructura molecular sea correcta. Lindquist dijo que "descubrió accidentalmente" la nueva perovskita que contiene Au2+ mientras trabajaba en un proyecto más amplio centrado en semiconductores magnéticos para dispositivos electrónicos.

Lindquist mezcló una sal llamada cloruro de cesio y cloruro de oro en agua y añadió ácido clorhídrico a la solución "y una pequeña cantidad de vitamina C", dijo. En una reacción posterior, la vitamina C (un ácido) dona un electrón (cargado negativamente) al Au3+ común, formando Au2+. Curiosamente, Au2+ es estable en perovskitas sólidas pero inestable en solución.

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

Al reconocer que podrían haber encontrado una nueva frontera en la química, por así decirlo, Lindquist llevó a cabo extensas pruebas en la perovskita, incluyendo espectroscopía y difracción de rayos X, para estudiar cómo absorbe la luz y caracterizar su estructura cristalina. Un equipo de investigación en física y química en Stanford dirigido por Young Lee, profesor de Física Aplicada y Ciencias Fotónicas, y Edward Solomon, Profesor de Química Monroe E. Spaght y Profesor de Ciencias Fotónicas, contribuyó además al estudio del comportamiento de Au2+.

Estos experimentos finalmente confirmaron la presencia de Au2+ en las perovskitas, y en el proceso agregaron un nuevo capítulo a la historia centenaria de la química y la física de Linus Pauling, quien ganó el Premio Nobel de Química en 1954 y el Premio Nobel de la Paz en 2017. 1962. Al principio de su carrera, trabajó en perovskitas de oro que contenían las formas comunes Au1+ y Au3+. Casualmente, Pauling también estudió más tarde la estructura de la vitamina C, uno de los ingredientes necesarios para crear perovskitas estables que contienen el esquivo Au2+.

En el futuro, Karunadasa, Lindquist y sus colegas planean estudiar más a fondo este nuevo material y modificar su composición química. Se espera que las perovskitas Au2+ puedan usarse en aplicaciones que requieren magnetismo y conductividad porque los electrones saltan de Au2+ a Au3+ en la perovskita.

"Estamos entusiasmados de explorar los usos de las perovskitas Au2+", dijo Karunadasa.