Ученые разгадали загадку кристаллической структуры калаверита и предсказали новое соединение золота

Результаты исследования опубликованы в престижном научном журнале PNAS.

Калаверит — теллурит золота с химической формулой AuTe2. Помимо того, что из калаверита можно добывать золото, он интересен несоразмерной модуляцией положений атомов золота и теллура в его кристаллах. Следовательно, 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-х ученые научились описывать и такие кристаллические структуры (для этого им требуется вместо привычного трехмерного пространства проводить вычисления в четырехмерном), 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, а также Cколтеха и МФТИ (руководитель — профессор Артем Оганов) объяснили несоразмерность кристаллов калаверита, 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 еще 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.