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 журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, кратко о них сообщается в пресс-релизе Московского физико-технического института.
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 четырехмерном пространстве), однако причины странного поведения кристаллов калаверита до сих пор оставались непонятными.
Группы ученых из Института физики металлов РАН (руководитель – профессор Сергей Стрельцов), Кельнского университета (руководитель – профессор Даниил Хомский), и Cколтеха и МФТИ (руководитель – профессор Артем Оганов) объяснили несоразмерность кристаллов калаверита, а также его экспериментально полученные электронные спектры и сверхпроводимость, возникающую в них под давлением или при введении примесей.
Структура минерала калаверита. Илл.: МФТИ
«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.
