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 престижном научном 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 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 четырёхмерном 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.

«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.