Золото в руде не всегда можно разглядеть даже в микроскоп. Иногда оно «растворено» прямо внутри кристаллической решётки минералов — буквально атом за атомом. В таких случаях привычные методы обогащения бессильны: металл как будто заперт в клетке. Чтобы его освободить, нужно сначала понять, как именно он там удерживается.
Учёные из «НИР-Центра» провели первый этап большого исследования, посвящённого «упорному» золоту. Они использовали квантовую механику (теорию функционала плотности, DFT) и компьютерное моделирование, чтобы заглянуть внутрь кристаллов пирита (FeS₂) и корунда (Al₂O₃) — главных минералов-хозяев золота в упорных рудах.
Что выяснили на атомном уровне?
Оказалось, что золото не может просто так находится в идеальном кристалле. Его атом слишком велик: радиус атома Au — около 1,35 Å, а пустоты в пирите и корунде имеют размер всего 1,17–1,23 Å. Чтобы встроиться, золоту приходится увеличивать пространство между соседними атомами, а это требует дополнительной энергии. Поэтому в природе такие дефекты возникают только при очень низком содержании металла.
Расчёты показали, что устойчивые структуры возможны лишь в узких пределах:
- в пирите: Fe₁₋ₓAuₓS₂₋ₓ при x ≤ 0,055;
- в корунде: Al₂₋ₓAuₓO₃ при x ≤ 0,076.
То есть на тысячу атомов железа или алюминия приходится не более 5–7 атомов золота. Именно такая «разреженная» форма и встречается в реальных рудах. Любопытно, что кварц (SiO₂) геометрически допускает внедрение золота — пустоты там чуть больше, — но энергетически этот процесс крайне невыгоден. Так что природа сама выбирает самые стабильные варианты.
Можно ли ослабить связь золота с минералом?
Главная идея исследователей — не разрушать весь кристалл, а точечно «расшатать» связь Au с окружающими атомами серы или кислорода. Для этого предложили вводить в соседние пустоты маленькие атомы-допанты (азот, углерод, кислород и другие). С помощью метода COHP (кристаллическая орбитальная гамильтонова популяция) измерили прочность химической связи.
Результат оказался многообещающим:
- в пирите азот, углерод и кислород заметно ослабляют связь Au–S;
- в корунде те же допанты (N, C) тоже снижают прочность, а вот фтор, наоборот, делает связь Au–O ещё прочнее — его стоит избегать.
Более того, в структурах, уже содержащих золото, рядом с ним остаются свободные полости радиусом около 1,1–1,2 Å. В них теоретически можно «поселить» лёгкие элементы (от бериллия до хлора), чтобы изменить свойства кристалла.
Что это даёт практике?
Исследование показало, что управлять золотом можно, воздействуя на локальное окружение атома. Вместо энергозатратного окисления всей руды появляется принципиальная возможность: ввести нужный допант, ослабить связь, и тогда золото станет подвижным.