Juni 20, 2024

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Welcher Zusammenhang besteht zwischen Einsteins Relativitätstheorie und der charakteristischen Farbe von Gold?

Welcher Zusammenhang besteht zwischen Einsteins Relativitätstheorie und der charakteristischen Farbe von Gold?
Die Physik hinter der einzigartigen Farbe von Gold hängt mit Einsteins Relativitätseffekten zusammen, dem Schlüssel zum Verständnis des seltenen Au 2+ REUTERS/Srdjan Zivulovic

Als elementares Metall oro Es wird seit langem wegen seiner relativen Seltenheit und seiner unübertroffenen Formbarkeit und chemischen Inertheit geschätzt, was bedeutet, dass es nicht mit Chemikalien in der Umwelt reagiert und sich leicht in Schmuck und Münzen verwandeln lässt, die mit der Zeit nicht anlaufen. Jetzt ein Team von Forschern Stanford Einen Weg gefunden, aufzubauen und zu stabilisieren Eine sehr seltene Form von GoldAu 2+ hat zwei negativ geladene Elektronen verloren.

Das Material, das diese schwer fassbare Version des geschätzten Elements bestätigt, ist a Halogenid-Perowskit, ein Mineral aus der Gruppe der Oxide. Diese Arten von Kristallmaterialien sind sehr vielversprechend Verschiedene Anwendungen, Stellt veröffentlichte Arbeiten dar, darunter Solarzellen, Lichtquellen und hocheffiziente elektronische Komponenten Natürliche Chemie.

Überraschenderweise lässt sich Au 2+ -Perowskit schnell und einfach bei Raumtemperatur unter Verwendung kommerziell erhältlicher Materialien herstellen. Die eigentliche Überraschung war, dass wir ein stabiles Au 2+ -haltiges Material synthetisieren konnten; Zuerst habe ich es nicht geglaubt. Die Herstellung dieser ersten Art von Au 2+ -Perowskit ist aufregend.

Au 2+-Perowskit lässt sich leicht bei Raumtemperatur unter Verwendung üblicher Materialien herstellen und markiert einen Meilenstein in der Goldforschung (bebilderte Bildinformationen).

Die darin enthaltenen Goldatome haben eine starke Ähnlichkeit mit den Kupferatomen in Hochtemperatursupraleitern, und schwere Atome mit ungepaarten Elektronen wie Au 2+ erscheinen interessant, während bei leichteren Atomen keine magnetischen Effekte beobachtet werden.

„Halogenid-Perowskite haben sehr attraktive Eigenschaften für viele alltägliche Anwendungen, daher wollen wir diese Materialfamilie erweitern“, erklärte der Hauptautor der Studie, Kurt Lindquist, der die Forschung als Doktorand in Stanford durchführte und jetzt als Anorganiker arbeitet Chemiker an der Princeton University. Beispielloser Au 2+ Perowskit eröffnet interessante neue Wege“.

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Ein weiterer wichtiger Grund für seinen Wert ist die Namensfarbe von Gold. Kein anderes Metall hat in reinem Zustand einen so satten und unverwechselbaren Ton.. Die grundlegende Physik hinter dem gefeierten Erscheinungsbild erklärt, warum Au 2+ so selten ist.

Au 2+ -Perowskit wird durch eine einfache Reaktion unter Beteiligung von Vitamin C gebildet, ein neuartiger Ansatz in der Goldchemie.

Der zugrunde liegende Grund sind relativistische Effekte, die zuerst postuliert wurden Albert Einsteins berühmte Theorie. Er lehrte uns, dass Objekte schwerer werden, wenn sie sich sehr schnell bewegen und ihre Geschwindigkeit einen erheblichen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit erreicht.

Dieses Phänomen gilt auch für Teilchen und hat tiefgreifende Folgen für massive schwere Elemente wie Gold, deren Kerne eine große Anzahl von Protonen enthalten. Diese Teilchen tragen gemeinsam eine enorme positive Ladung und zwingen die negativ geladenen Elektronen, den Kern mit rasender Geschwindigkeit zu umkreisen.

Dadurch werden die Elektronen schwerer und umschließen den Kern enger, wodurch sich seine Ladung verringert und die äußeren Elektronen weiter driften können als bei herkömmlichen Metallen. Diese Neuordnung der Elektronen und ihrer Energieniveaus Gold absorbiert blaues Licht und erscheint für unsere Augen gelb.

Das Stanford-Team plant, das neue Au 2+-Material weiter zu untersuchen und seine Chemie für zukünftige technologische Anwendungen zu modifizieren. REUTERS/Alexander Manzyuk

Aufgrund der Anordnung der Goldelektronen und aufgrund der Relativitätstheorie erscheint das Atom natürlicherweise als Au 1+ und Au 3+ , wobei es ein bzw. drei Elektronen verliert und Au 2+ vernachlässigt. 2+ stellt eine positive Nettoladung aufgrund des Verlusts von zwei negativ geladenen Elektronen dar, und das chemische Symbol „Au“ für Gold kommt von „aurum“, dem lateinischen Wort für Metall.

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Mit der richtigen Molekülkonfiguration kann Au 2+ halten, und Lindquist sagte, er sei auf den neuen Au 2+-beherbergenden Perowskit gestoßen, als er an einem größeren Projekt arbeitete, das sich auf magnetische Halbleiter für den Einsatz in elektronischen Geräten konzentrierte.

Lindqvist vermischte Cäsiumchlorid und ein Salz namens Au 3+ Chlorid in Wasser und fügte der Lösung Salzsäure „mit etwas Vitamin C“ hinzu. Bei der resultierenden Reaktion gibt es ein Elektron an das (negativ geladene) gewöhnliche Au 3+ ab und bildet so Au 2+ als Säure.

Interessanterweise ist Au 2+ in festem Perowskit stabil, jedoch nicht in Lösung. „Im Labor kann dieses Material aus sehr einfachen Materialien in etwa fünf Minuten bei Raumtemperatur hergestellt werden“, sagte Lindquist. „Am Ende hatten wir ein Pulver, das sehr dunkelgrün, fast schwarz und überraschend schwer war, weil es Gold enthielt.“

Nobelpreisträger Linus Pauling ist historisch mit der Entdeckung von Au 2+ verbunden, das Chemie und Physik vereint (illustrierte Bildinformationen).

Da sie erkannten, dass sie möglicherweise auf neue chemische Trümmer gestoßen waren, wurden umfangreiche Experimente mit dem Perowskit durchgeführt, darunter Spektroskopie und Röntgenbeugung, um zu bestimmen, wie er Licht absorbiert, und um seine Kristallstruktur zu charakterisieren. Stanford-Forschungsgruppen in Physik und Chemie unter der Leitung von Young Lee, Professor für angewandte Physik und Photonikwissenschaften, und Edward Solomon, Monroe E. Spacht, Professor für Chemie und Professor für Photonische Wissenschaften, trug außerdem zur Untersuchung des Au 2 -Verhaltens bei.

Die Experimente bestätigten schließlich das Vorhandensein von Au 2+ in einem Perowskit und fügten der jahrhundertealten Geschichte der Chemie und Physik um Linus Pauling, der 1954 den Nobelpreis für Chemie erhielt, ein Kapitel hinzu. Frieden im Jahr 1962.

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Zu Beginn seiner Karriere arbeitete er an Goldperowskiten mit den gängigen Au 1+- und Au 3+-Formen. Zufälligerweise untersuchte Pauling später die Struktur von Vitamin C, einem der Bestandteile, die zur Herstellung eines stabilen Perowskits benötigt werden, der das schwer fassbare Au 2+ enthält.

Wir lieben Linus Paulings Verbindung zu unserer Arbeit. Diese Perowskit-Sammlung ist eine gute Geschichte. Deshalb werden sie das neue Material in Zukunft weiter untersuchen und versuchen, seine Chemie zu verändern. Die Hoffnung besteht darin, dass die Elektronen im Perowskit von Au 2+ zu Au 3+ springen, sodass er in Anwendungen eingesetzt werden kann, die Magnetismus und Leitfähigkeit erfordern.

*Hemamala Karunadasa ist außerordentlicher Professor für Chemie an der Stanford School of Humanities and Sciences und Hauptautor der Studie.