자연에서 발견되는 불안정한 형태의 금은 흥미로운 특성을 지닌 새로운 결정질 물질의 핵심입니다. 처음으로 스탠포드 대학교 연구자들은 Au2+라고 불리는 음전하 전자 두 개를 잃은 극히 희귀한 유형의 금을 생성하고 안정화하는 방법을 발견했습니다. 이 찾기 어려운 귀중한 요소를 안정화하는 재료는 보다 효율적인 태양 전지, 광원 및 전자 부품을 포함한 다양한 응용 분야에 큰 가능성을 제공하는 결정질 재료인 할로겐화물 페로브스카이트입니다.

놀랍게도 Au2+ 페로브스카이트는 기성 재료를 사용하여 실온에서 빠르고 간단하게 만들 수도 있습니다.

"Au2+를 포함하는 안정적인 물질을 합성할 수 있다는 것은 정말 놀라운 일입니다. 처음에는 믿지도 않았습니다." 스탠포드 인문과학부 화학 부교수이자 최근 Nature Chemistry에 게재된 논문의 수석 저자인 Hemamala Karunadasa가 말했습니다. "이 전례 없는 Au2+ 페로브스카이트를 만드는 것은 흥미롭습니다. 페로브스카이트의 금 원자는 고온 초전도체의 구리 원자와 매우 유사하며 Au2+와 같이 홀전자를 가진 무거운 원자는 가벼운 원자에서는 볼 수 없는 저온 자기 효과를 나타냅니다."

금 할로겐화물 페로브스카이트의 구조. 6개의 인접한 염소(Cl) 원자로 둘러싸인 금(Au)으로 구성된 길쭉한 염화금 팔면체는 구조에서 음영 처리됩니다. 탄 빨간색 팔면체는 Au2+-염화물을 나타내고 금 팔면체는 Au3+-염화물을 나타냅니다. 청록색 구체는 세슘(Cs) 원자를 나타내고 연한 녹색 구체는 염소(Cl) 원자를 나타냅니다. 삽입된 그림은 가장 짧은 염화금 결합을 보여줍니다. Credit Cardrunadasa et al. 2023.

"할라이드 페로브스카이트는 많은 일상 응용 분야에서 매우 매력적인 특성을 가지고 있으므로 우리는 항상 이 재료 계열을 확장하려고 노력하고 있습니다. 전례 없는 Au2+ 페로브스카이트는 몇 가지 흥미로운 새로운 길을 열 수 있습니다."라고 스탠포드 대학에서 박사 과정 학생으로 연구를 수행했으며 현재 프린스턴 대학에서 무기 화학 분야의 박사후 연구원인 이번 연구의 주요 저자인 커트 린드퀴스트(Kurt Lindquist)는 말했습니다.

금의 중전자

원소 금속인 금은 상대적 희소성, 비교할 수 없는 연성 및 화학적 불활성으로 인해 오랫동안 가치가 높았습니다. 즉, 보석과 동전으로 쉽게 제작할 수 있고 환경의 화학 물질과 반응하지 않으며 시간이 지나도 변색되지 않습니다. 그 가치의 또 다른 주요 이유는 금의 이름을 딴 색상입니다. 틀림없이 다른 어떤 금속도 순수한 상태에서 이처럼 독특하고 풍부한 색상을 갖고 있지 않습니다.

Karunadasa는 금의 많은 찬사를 받은 외관 뒤에 숨은 기본 물리학이 Au2+가 그토록 희귀한 이유도 설명한다고 설명합니다.

근본적인 원인은 알베르트 아인슈타인의 유명한 상대성 이론에서 원래 제안된 상대론적 효과입니다. "아인슈타인은 물체가 매우 빠르게 움직이고 속도가 광속의 상당 부분에 가까워지면 물체가 더 무거워진다고 말했습니다."라고 Karunadasa는 말했습니다.

이 현상은 입자에도 적용되며 핵이 많은 수의 양성자를 보유하는 금과 같은 "큰" 무거운 원소에 심각한 영향을 미칩니다. 이 입자들은 함께 음전하를 띤 전자가 극도로 빠른 속도로 핵 주위를 소용돌이치게 하는 거대한 양전하를 생성합니다. 결과적으로 전자는 더 무거워지고 핵을 단단하게 둘러싸게 되어 핵의 전하를 약화시키고 외부 전자가 일반적인 금속보다 더 멀리 표류하게 만듭니다. 이러한 전자 재배열과 에너지 수준으로 인해 금은 청색광을 흡수하여 우리 눈에 노란색으로 보입니다.

금 전자의 배열로 인해 상대성 이론으로 인해 원자는 자연스럽게 Au1+와 Au3+로 나타나 각각 1~3개의 전자를 잃고 Au2+를 버립니다. ("2+"는 두 개의 음전하 전자의 손실로 인한 순 양전하를 나타내며, 금의 화학 기호 "Au"는 금을 뜻하는 라틴어 "aurum"에서 유래되었습니다.)

비타민C 스퀴즈

스탠포드 대학의 연구자들은 Au2+가 분자 구조가 올바른 한 지속될 수 있음을 발견했습니다. Lindquist는 전자 장치용 자기 반도체를 중심으로 한 광범위한 프로젝트를 진행하는 동안 새로운 Au2+ 함유 페로브스카이트를 "우연히 발견"했다고 말했습니다.

린드퀴스트는 염화세슘과 염화금이라는 소금을 물에 섞은 뒤 그 용액에 염산을 첨가하고 "소량의 비타민C도 첨가했다"고 말했다. 후속 반응에서 비타민 C(산)는 (음전하를 띤) 전자를 일반적인 Au3+에 기증하여 Au2+를 형성합니다. 흥미롭게도 Au2+는 고체 페로브스카이트에서는 안정적이지만 용액에서는 불안정합니다.

Lindquist는 "실험실에서는 매우 간단한 재료를 사용하여 실온에서 약 5분 만에 이 물질을 만들 수 있습니다."라고 말했습니다. "우리는 그 안에 금이 들어있어서 놀라울 정도로 무거웠던 거의 검은색에 가까운 짙은 녹색의 분말을 얻게 되었습니다."

말하자면, 화학 분야의 새로운 지평을 발견했다는 사실을 인식한 Lindquist는 페로브스카이트가 어떻게 빛을 흡수하고 결정 구조를 특성화하는지 연구하기 위해 분광학 및 X선 회절을 포함하여 페로브스카이트에 대한 광범위한 테스트를 수행했습니다. 응용 물리학 및 광과학 교수인 Young Lee와 Monroe E. Spaght 화학 교수이자 광과학 교수인 Edward Solomon이 이끄는 스탠포드의 물리학 및 화학 연구팀은 Au2+의 거동 연구에 더욱 기여했습니다.

이 실험은 궁극적으로 페로브스카이트에 Au2+가 존재함을 확인했으며, 그 과정에서 1954년에 노벨 화학상, 2017년에 노벨 평화상을 수상한 리누스 폴링(Linus Pauling)의 화학 및 물리학의 100년 역사에 새로운 장을 추가했습니다. 경력 초기에 그는 일반적인 형태의 Au1+ 및 Au3+를 포함하는 금 페로브스카이트에 대해 연구했습니다. 우연히도 폴링은 나중에 찾기 힘든 Au2+를 함유한 안정적인 페로브스카이트를 만드는 데 필요한 성분 중 하나인 비타민 C의 구조도 연구했습니다.

앞으로 Karunadasa, Lindquist 및 동료들은 이 새로운 물질을 추가로 연구하고 화학적 구성을 조정할 계획입니다. 페로브스카이트에서 전자가 Au2+에서 Au3+로 점프하기 때문에 Au2+ 페로브스카이트는 자성과 전도성이 필요한 응용 분야에 사용될 수 있기를 바랍니다.

Karunadasa는 "우리는 Au2+ 페로브스카이트의 용도를 탐색하게 되어 기쁘다"고 말했습니다.