重塑黄金：斯坦福大学科学家发现新材料中的奇异化学状态 维生素C立功

自然界中不稳定的黄金形式是一种具有有趣特性的新型晶体材料的核心。斯坦福大学的研究人员首次找到了一种方法来制造和稳定一种极其罕见的金，这种金失去了两个带负电的电子，称为Au2+。稳定这种难以捉摸的有价值元素的材料是卤化物钙钛矿，这是一种晶体材料，在各种应用中具有广阔的前景，包括更高效的太阳能电池、光源和电子元件。

令人惊讶的是，Au2+钙钛矿在室温下使用现成的成分也可以快速简单地制造。

斯坦福大学人文与科学学院化学副教授、该论文的资深作者HemamalaKarunadasa表示：“我们能够合成一种含有Au2+的稳定材料，这真是令人惊讶——一开始我什至都不相信。”最近发表在《自然化学》上的研究。“创造这种史无前例的Au2+钙钛矿是令人兴奋的。钙钛矿中的金原子与高温超导体中的铜原子非常相似，并且具有不成对电子的重原子（例如Au2+）表现出较轻原子中未见的冷磁效应。”

卤化金钙钛矿的结构。细长的氯化金八面体由被六个相邻氯(Cl)原子包围的金(Au)组成，在结构中带有阴影：焦红色八面体代表Au2+-氯化物，金八面体代表Au3+-氯化物。绿松石色球体代表铯(Cs)原子，浅绿色球体代表氯(Cl)原子。插图显示了最短的氯化金键。信用卡鲁纳达萨等人。2023年。

该研究的主要作者库尔特·林德奎斯特(KurtLindquist)表示：“卤化物钙钛矿对于许多日常应用来说具有非常有吸引力的特性，因此我们一直在寻求扩展这一材料系列。前所未有的Au2+钙钛矿可以开辟一些有趣的新途径。”他在斯坦福大学博士生期间进行了这项研究，现在是博士后普林斯顿大学无机化学学者。

金中的重电子

作为一种元素金属，黄金长期以来因其相对稀缺性、无与伦比的延展性和化学惰性而受到重视，这意味着它可以很容易地制成珠宝和硬币，不会与环境中的化学物质发生反应，也不会随着时间的推移而失去光泽。其价值的另一个关键原因是黄金的同名颜色。可以说，没有任何其他金属在其纯净状态下具有如此独特丰富的色调。

Karunadasa解释说，黄金备受赞誉的外观背后的基本物理原理也解释了为什么Au2+如此稀有。

根本原因是相对论效应，最初是在阿尔伯特·爱因斯坦著名的相对论中提出的。“爱因斯坦告诉我们，当物体移动得非常快并且其速度接近光速的很大一部分时，物体就会变得更重，”卡鲁纳达萨说。

这种现象也适用于粒子，并对“大量”重元素产生深远的影响，例如金，其原子核拥有大量质子。这些粒子共同产生巨大的正电荷，迫使带负电的电子以极快的速度围绕原子核旋转。结果，电子变重并紧紧包围原子核，削弱了其电荷，并使外层电子比典型金属漂移得更远。电子及其能级的这种重新排列导致金吸收蓝光，因此在我们的眼睛中呈现黄色。

由于金电子的排列，由于相对论，原子自然以Au1+和Au3+的形式出现，分别失去一个或三个电子，并抛弃Au2+。（“2+”表示失去两个带负电的电子而产生的净正电荷，金的化学符号“Au”来自“aurum”，拉丁语中金的意思。）

维生素C的挤压

斯坦福大学的研究人员发现，只要分子结构正确，Au2+就可以持久存在。Lindquist表示，他在致力于一个以用于电子设备的磁性半导体为中心的更广泛项目时“偶然发现”了新型含Au2+钙钛矿。

Lindquist将一种叫做氯化铯的盐和氯化金混合在水中，并向溶液中添加盐酸，“还加入了少量维生素C”，他说。在随后的反应中，维生素C（一种酸）向常见的Au3+提供一个（带负电的）电子，形成Au2+。有趣的是，Au2+在固体钙钛矿中稳定，但在溶液中不稳定。

“在实验室中，我们可以使用非常简单的成分在室温下在大约五分钟内制造出这种材料，”Lindquist说。“我们最终得到了一种深绿色、近乎黑色的粉末，而且由于其中含有黄金，所以重量惊人。”

Lindquist认识到他们可能已经找到了新的化学领域，可以说，他对钙钛矿进行了大量测试，包括光谱学和X射线衍射，以研究它如何吸收光并表征其晶体结构。由应用物理学和光子科学教授YoungLee和MonroeE.Spaght化学教授兼光子科学教授EdwardSolomon领导的斯坦福大学物理和化学研究小组进一步为研究Au2+的行为做出了贡献。

这些实验最终证实了钙钛矿中存在Au2+，并在此过程中为莱纳斯·鲍林(LinusPauling)的百年化学和物理学故事增添了新的篇章，他于1954年获得诺贝尔化学奖，并于2017年获得诺贝尔和平奖。1962年。在他的职业生涯早期，他致力于研究含有常见形式Au1+和Au3+的金钙钛矿。巧合的是，鲍林后来还研究了维生素C的结构，维生素C是产生含有难以捉摸的Au2+的稳定钙钛矿所需的成分之一。

展望未来，Karunadasa、Lindquist及其同事计划进一步研究这种新材料并调整其化学成分。希望Au2+钙钛矿可用于需要磁性和导电性的应用，因为电子在钙钛矿中从Au2+跳跃到Au3+。

“我们很高兴探索Au2+钙钛矿的用途，”Karunadasa说。