Ученые из России и Германии объяснили загадки кристаллической структуры минерала – калаверита, а также предсказали возможность существования нового, ранее неизвестного химикам соединения золота. Результаты исследования опубликованы в престижном научном журнале PNAS.
Калаверит – это теллурит золота с химической формулой AuTe2. Кроме того, что из калаверита можно добывать золото, он интересен несоразмерной модуляцией положений атомов золота и теллура в его кристаллах. Это значит, что структуру кристаллической решетки калаверита нельзя объяснить, опираясь на закон Гаюи, описывающий кристаллы большинства минералов. Калаверит и другие несоразмерные кристаллы долго были загадкой для кристаллографов, но в 1970-е годы ученые научились описывать и такие кристаллические структуры (Для этого им требуется вместо привычного людям трехмерного пространства, проводить вычисления в четырёхмерном пространстве), однако причины странного поведения кристаллов калаверита до сих пор оставались непонятными.
Группы ученых из Института физики металлов РАН (руководитель - проф. Сергей Стрельцов), Кельнского университета (руководитель - проф. Даниил Хомский), и Cколтеха и МФТИ (руководитель - проф. Артем Оганов) объяснили несоразмерность кристаллов калаверита, а также его экспериментально полученные электронные спектры и сверхпроводимость, возникающую в них под давлением или при введении примесей.
«Из простейших соображений следует, что золото должно быть двухвалентным в этом соединении, так же как железо в пирите FeS2, известном как “золото дураков”, но любой химик знает, что двухвалентное золото крайне неустойчиво, оно стремится перейти в одновалентное и трехвалентное состояние. Но с этим тоже проблема: во-первых, 3+ слишком высокая валентность, а, во-вторых, 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.
Также с помощью эволюционного алгоритма USPEX, созданного Артемом Огановым и активно используемого кристаллографами по всему миру, ученые смогли предсказать все известные стабильные теллуриды золота, а также новый, ранее неизвестный теллурид AuTe.
“У минерала калаверита удивительная судьба. Заметно повлиявший на Золотую Лихорадку, этот минерал 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 AuTe - которое почти наверняка скрывает новые загадки”- рассказывает профессор Сколтеха и МФТИ, Артем Оганов.
*****
Сколковский институт науки и технологий (Сколтех) – негосударственноенаучно-образовательноеучреждение. Созданныйв 2011 годуприучастииМассачусетскоготехнологическогоинститута (МТИ), институтготовитновыепоколенияисследователейипредпринимателей, развиваетнаучныезнанияисодействуеттехнологическиминновациямсцельюрешенияважнейшихпроблем, стоящихпередРоссиейимиромвновомтысячелетии. Сколтехстроитсвоюработу, опираясьнаопытлучшихроссийскихимеждународныхобразовательныхиисследовательскихинститутов. Приэтомособыйакцентделаетсянапреподаваниенавыковпредпринимательскойиинновационнойдеятельности. Сайт: http://www.skoltech.ru/
****************************************************************************************************************
Skoltech, Skolkovo Innovation Center
Moscow, 20.09.2018
Russian scientists solve the golden puzzle of calaverite
Scientists from Russia and Germany shed light on the crystalline structure of calaverite, foretelling the existence of a new gold compound previously unknown to chemists. The results of their study were published in the reputable scientific journal PNAS.
A gold tellurite with the chemical formula AuTe2, calaverite may not only be a source of gold, but displays highly incommensurate modulation in the positions of gold and tellurium atoms in its crystals. This means that calaverite’s crystal lattice cannot be explained by Haüy’s law which describes the crystals of most minerals. Calaverite and other incommensurate crystals have long been a mystery for crystallographers. In the 1970s, scientists found a way of describing their structures using 4D space instead of the customary 3D space in their calculations. However, researchers have been clueless as to the reasons of such weird behavior of calaverite crystals.
Research teams from the RAS Institute of Metal Physics (led by Professor Sergey Streltsov), the University of Cologne (led by Professor Daniil Khomsky), Skoltech and the Moscow Institute of Physics Technology (MIPT) (led by professor Artem Oganov) cracked the mystery of incommensurate calaverite crystals, gaining insights into their electronic spectra obtained in the experiments and their superconducting capability created by pressure or additives.
“The simple reasoning suggests that gold should be divalent in this compound in much the same way as iron is in FeS2, known as “fool’s gold”. Any chemist understands that divalent gold is extremely unstable and tends to become monovalent and trivalent, but there lies the rub: first, 3+ is too high a valence and, second, there is no way you can place monovalent or trivalent gold (assuming it exists in the first place) on calaverite’s triangular lattice with the pattern repeating in each direction. Therefore, it’s the nature that dictates the compromise by smoothly changing the valence of gold in the crystal. Tellurium’s environment responds to the change and this results in bizarre crystal lattices,” explains Sergey Streltsov.
The scientists also relied on the USPEX ‒ an advanced evolutionary algorithm created by Artem Oganov and intensively used by crystallographers worldwide ‒ to predict all the known stable tellurides of gold and a new telluride, AuTe, unknown until now.
“There’s quite a story behind calaverite. Apart from its marked impact on the Gold Rush, the mineral has been a headache and a great paradox for crystallographers for decades. The deeper you dug into it, the more new questions came up. Our team has succeeded in interlacing all the oddities of calaverite within a simple model, so experimenters can now hunt for the new compound we predicted, AuTe, which I’m sure is full of new riddles,” says Professor of Skoltech and MIPT Artem Oganov.
*****
*****
The Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech) is a private graduate research university. Established in 2011 in collaboration with the Massachusetts Institute of Technology (MIT), Skoltech cultivates a new generation of researchers and entrepreneurs, promotes advanced scientific knowledge and fosters innovative technology to address critical issues facing Russia and the world in the third millennium. Skoltech applies the best Russian and international research and educational practices, with particular emphasis on entrepreneurship and innovation.
Web: https://www.skoltech.ru/
