Lần đầu tiên, các nhà nghiên cứu của Stanford đã tìm ra cách tạo ra và ổn định một dạng vàng cực kỳ hiếm bị mất hai electron tích điện âm, ký hiệu là Au^2+. Vật liệu ổn định phiên bản khó nắm bắt của nguyên tố có giá trị này là perovskite halogenua-một loại vật liệu tinh thể hứa hẹn cho nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm pin mặt trời, nguồn ánh sáng và linh kiện điện tử hiệu suất cao hơn.

Điều đáng ngạc nhiên là Au²⁺ perovskite cũng được chế tạo nhanh chóng và đơn giản bằng cách sử dụng các nguyên liệu có sẵn ở nhiệt độ phòng.

Hemamala Karunadasa, phó giáo sư hóa học tại Trường Khoa học và Nhân văn Stanford, đồng thời là tác giả chính của nghiên cứu, cho biết: Thật bất ngờ khi chúng tôi có thể tổng hợp được một vật liệu ổn định chứa Au^2+.. Việc tạo ra perovskite Au²⁺ đầu tiên này thật thú vị. Các nguyên tử vàng trong perovskite có những điểm tương đồng mạnh mẽ với các nguyên tử đồng trong chất siêu dẫn nhiệt độ cao và các nguyên tử nặng với các electron chưa ghép cặp, như Au²⁺, cho thấy hiệu ứng từ tính mát mẻ chưa từng thấy trong các nguyên tử nhẹ hơn.  Nghiên cứu được công bố tạp chí Nature Chemistry gần đây.

Kurt Lindquist, tác giả chính của nghiên cứu tại Đại học Princeton, cho biết: Perovskite Halide sở hữu những đặc tính thực sự hấp dẫn cho nhiều ứng dụng hàng ngày, vì vậy chúng tôi đang tìm cách mở rộng dòng vật liệu này. Một loại perovskite Au²⁺ chưa từng có có thể mở ra một số con đường mới đầy hấp dẫn.

Karunadasa giải thích: Cơ sở vật lý cơ bản đằng sau vẻ ngoài nổi tiếng của vàng cũng giải thích tại sao Au²⁺ lại hiếm đến vậy. Nguyên nhân sâu xa là do các hiệu ứng tương đối, ban đầu được đưa ra trong thuyết tương đối nổi tiếng của Albert Einstein. Karunadasa nói rằng, Einstein dạy chúng ta rằng khi các vật chuyển động rất nhanh và vận tốc của chúng đạt tới một phần đáng kể tốc độ ánh sáng, thì các vật đó sẽ nặng hơn. Hiện tượng này cũng áp dụng cho các hạt, và có những kết quả sâu sắc đối với các nguyên tố nặng “có khối lượng lớn”, chẳng hạn như vàng, có hạt nhân nguyên tử chứa một số lượng lớn proton. Những hạt này cùng nhau tạo ra điện tích dương cực lớn, buộc các electron mang điện tích âm quay quanh hạt nhân với tốc độ chóng mặt. Kết quả là, các electron trở nên nặng hơn và bao quanh hạt nhân chặt chẽ, làm giảm điện tích của nó và cho phép các electron bên ngoài trôi xa hơn so với các kim loại thông thường. Sự sắp xếp lại các electron và mức năng lượng của chúng dẫn đến việc vàng hấp thụ ánh sáng xanh và do đó có màu vàng đối với mắt chúng ta.

Do sự sắp xếp các electron của vàng, theo thuyết tương đối, nguyên tử tự nhiên xuất hiện dưới dạng Au¹⁺ và Au^3+, lần lượt mất đi một hoặc ba electron và loại bỏ Au^2+. (“2+” biểu thị tổng điện tích dương do mất đi hai electron mang điện tích âm và ký hiệu hóa học của vàng là “Au”, bắt nguồn từ “aurum”, từ tiếng Latin có nghĩa là vàng).

Các nhà nghiên cứu Stanford nhận thấy chỉ cần cấu hình phân tử phù hợp, Au²⁺ có thể tồn tại. Lindquist cho biết ông “tình cờ phát hiện ra” perovskite chứa Au²⁺ mới khi đang thực hiện một dự án lớn tập trung vào chất bán dẫn từ tính để sử dụng trong các thiết bị điện tử.

Lindquist trộn một loại muối gọi là cesium chloride và Au³⁺-chloride với nhau trong nước và thêm axit hydrochloric vào dung dịch “với một ít vitamin C được thêm vào, ông nói

Trong phản ứng tiếp theo, vitamin C (một loại axit) đã nhường một electron (tích điện âm) cho Au³⁺ thông thường tạo thành Au^2+. Điều thú vị là Au²⁺ ổn định trong perovskite rắn nhưng không ổn định trong dung dịch.

“Trong phòng thí nghiệm, chúng tôi có thể tạo ra vật liệu này bằng cách sử dụng những nguyên liệu rất đơn giản trong khoảng 5 phút ở nhiệt độ phòng. Chúng tôi thu được một loại bột có màu xanh đậm, gần như đen và nặng một cách đáng kinh ngạc vì chứa vàng” Lindquist cho biết thêm.

Nhận thấy rằng họ có thể đã đạt được thành tựu hóa học mới, Lindquist đã thực hiện nhiều thử nghiệm trên perovskite, bao gồm quang phổ và nhiễu xạ tia X, để nghiên cứu cách nó hấp thụ ánh sáng và mô tả cấu trúc tinh thể của nó. Các nhóm nghiên cứu về vật lý và hóa học của Stanford do Young Lee, giáo sư vật lý ứng dụng và khoa học photon dẫn đầu, cùng Edward Solomon, giáo sư hóa học và Monroe E. Spaght, giáo sư khoa học photon, đã góp phần nghiên cứu thêm hành vi của Au ²⁺. Các thí nghiệm cuối cùng đã xác định được sự hiện diện của Au²⁺ trong perovskite.

P.T.T (NASATI), theo https://phys.org/news/2023-09-rare-gold-unveil-material-infused.html, 2/10/2023