Учёные из России и Германии разгадали загадки кристаллической структуры калаверита, минерала, ставшего настоящим героем «золотой лихорадки». Исследователи также предсказали возможность существования нового, ранее неизвестного химикам соединения золота. Результаты исследования опубликованы в журнале PNAS.
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 решётки калаверита нельзя объяснить, опираясь на закон Гаюи, хотя для кристаллов большинства минералов этот закон справедлив.
Калаверит и другие несоразмерные кристаллы долго были загадкой для кристаллографов, но в 1970-е годы учёные научились описывать и такие кристаллические структуры — для этого пришлось перевести вычисления в четырёхмерное пространство. Но даже это не помогло разобраться в причинах странного поведения кристаллов калаверита.
Группы учёных из Института физики металлов РАН (руководитель — профессор Сергей Стрельцов), Кёльнского университета (нем. Universität zu Köln) (руководитель — профессор Даниил Хомский), Сколтеха и МФТИ (руководитель — профессор Артём Оганов) объяснили несоразмерность кристаллов калаверита, а также его экспериментально полученные электронные спектры и сверхпроводимость, возникающую 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 трёхвалентное состояние. Но с этим тоже проблема: во-первых, 3+ слишком высокая валентность, а, во-вторых, разместить одновалентное и трёхвалентное золото (даже если бы оно существовало) так, чтобы они одинаково повторялись в каждом направлении, на треугольной решётке 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 решётки», поясняет Сергей Стрельцов.
Также с помощью эволюционного алгоритма USPEX, созданного Артёмом Огановым и активно используемого кристаллографами по всему миру, учёные 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, Артём Оганов.
