自然界中不穩定的黃金形式是一種具有有趣特性的新型晶體材料的核心。史丹佛大學的研究人員首次找到了一種方法來製造和穩定一種極為罕見的金，這種金失去了兩個帶負電的電子，稱為Au2+。穩定這種難以捉摸的有價值元素的材料是鹵化物鈣鈦礦，這是一種晶體材料，在各種應用中具有廣闊的前景，包括更高效的太陽能電池、光源和電子元件。

令人驚訝的是，Au2+ 鈣鈦礦在室溫下使用現成的成分也可以快速簡單地製造。

史丹佛大學人文與科學學院化學副教授、論文的資深作者Hemamala Karunadasa 表示：「我們能夠合成一種含有Au2+ 的穩定材料，這真是令人驚訝——一開始我甚至都不相信。」 最近發表在《自然化學》上的研究。「創造這種史無前例的Au2+ 鈣鈦礦是令人興奮的。鈣鈦礦中的金原子與高溫超導體中的銅原子非常相似，並且具有不成對電子的重原子（例如Au2+）表現出較輕原子中未見的冷磁效應。”

鹵化金鈣鈦礦的結構。細長的氯化金八面體由被六個相鄰氯(Cl) 原子包圍的金(Au) 組成，在結構中帶有陰影：焦紅色八面體代表Au2+-氯化物，金八面體代表Au3+-氯化物。綠松石色球體代表銫(Cs) 原子，淺綠色球體代表氯(Cl) 原子。插圖顯示了最短的氯化金鍵。信用卡魯納達薩等。2023 年。

該研究的主要作者 Kurt Lindquist 表示：「鹵化物鈣鈦礦對於許多日常應用來說具有非常有吸引力的特性，因此我們一直在尋求擴展這一材料系列。前所未有的Au2+ 鈣鈦礦可以開闢一些有趣的新途徑。」他在史丹佛大學博士生期間進行了這項研究，現在是博士後普林斯頓大學無機化學學者。

金中的重電子

作為一種元素金屬，黃金長期以來因其相對稀缺性、無與倫比的延展性和化學惰性而受到重視，這意味著它可以輕鬆製成珠寶和硬幣，不會與環境中的化學物質發生反應，也不會隨著時間的推移而失去光澤。其價值的另一個關鍵原因是黃金的同名顏色。可以說，沒有任何其他金屬在其純淨狀態下具有如此獨特豐富的色調。

Karunadasa 解釋說，黃金備受讚譽的外觀背後的基本物理原理也解釋了為什麼Au2+ 如此稀有。

根本原因是相對論效應，最初是在阿爾伯特愛因斯坦著名的相對論中提出的。「愛因斯坦告訴我們，當物體移動得非常快並且其速度接近光速的很大一部分時，物體就會變得更重，」卡魯納達薩說。

這種現像也適用於粒子，並對「大量」重元素產生深遠的影響，例如金，其原子核擁有大量質子。這些粒子共同產生巨大的正電荷，迫使帶負電的電子以極快的速度圍繞原子核旋轉。結果，電子變重並緊緊包圍原子核，削弱了其電荷，並使外層電子比典型金屬漂移得更遠。電子及其能階的這種重新排列導致金吸收藍光，因此在我們的眼睛中呈現黃色。

由於金電子的排列，由於相對論，原子自然以Au1+ 和Au3+ 的形式出現，分別失去一個或三個電子，並拋棄Au2+。（“2+”表示失去兩個帶負電的電子而產生的淨正電荷，金的化學符號“Au”來自“aurum”，拉丁語中金的意思。）

維生素C的擠壓

史丹佛大學的研究人員發現，只要分子結構正確，Au2+ 就可以持久存在。Lindquist 表示，他在致力於一個以用於電子設備的磁性半導體為中心的更廣泛項目時「偶然發現」了新型含Au2+ 鈣鈦礦。

Lindquist 將一種稱為氯化銫的鹽和氯化金混合在水中，並向溶液中添加鹽酸，“還加入了少量維生素C”，他說。在隨後的反應中，維生素C（一種酸）向常見的Au3+ 提供一個（帶負電的）電子，形成Au2+。有趣的是，Au2+ 在固體鈣鈦礦中穩定，但在溶液中不穩定。

「在實驗室中，我們可以使用非常簡單的成分在室溫下在大約五分鐘內製造出這種材料，」Lindquist說。“我們最終得到了一種深綠色、近乎黑色的粉末，而且由於其中含有黃金，所以重量驚人。”

Lindquist認識到他們可能已經找到了新的化學領域，可以說，他對鈣鈦礦進行了大量測試，包括光譜學和X 射線衍射，以研究它如何吸收光並表徵其晶體結構。由應用物理學和光子科學教授Young Lee 和Monroe E. Spaght 化學教授兼光子科學教授Edward Solomon 領導的史丹佛大學物理和化學研究小組進一步為研究Au2+ 的行為做出了貢獻。

這些實驗最終證實了鈣鈦礦中存在Au2+，並在此過程中為萊納斯·鮑林(Linus Pauling) 的百年化學和物理學故事增添了新的篇章，他於1954 年獲得諾貝爾化學獎，並於2017 年獲得諾貝爾和平獎。1962 年。在他的職業生涯早期，他致力於研究含有常見形式Au1+ 和Au3+ 的金鈣鈦礦。巧合的是，鮑林後來也研究了維生素C 的結構，維生素C 是產生含有難以捉摸的Au2+ 的穩定鈣鈦礦所需的成分之一。

展望未來，Karunadasa、Lindquist 及其同事計劃進一步研究這種新材料並調整其化學成分。希望Au2+ 鈣鈦礦可用於需要磁性和導電性的應用，因為電子在鈣鈦礦中從Au2+ 跳躍到Au3+。

「我們很高興探索Au2+ 鈣鈦礦的用途，」Karunadasa 說。