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科学研究：在高压下化学成分会改变的重元素

来源：环球科学

发布时间：2021-06-10

浏览次数：1250

科学研究：在高压下化学成分会改变的重元素

散发着橙色辉光的锔晶体，研究者们正是用它来监测在施加压力下其化学性质的变化。图片来源：Thomas Albrecht-Schmitt / Nature

一项新的研究表明，一种已知最重的元素可被人们操控的程度比之前人们所想的更大。这一发现或为发展核燃料回收以及放射性元素的长期储存铺平了道路。

通过使用两块金刚石挤压样品的方式，一支国际研究团队向我们展示出了元素周期表中的第96号元素，同时也是最后一种仍能被肉眼看到的元素——锔，在高压下会发生怎样的响应。

这支团队由佛罗里达州立大学的Thomas Albrecht-Schmitt教授及其在布法罗大学和亚琛大学的合作者带领。他们发现，锔的外层电子的行为会随着缩短其与周围更轻的原子的距离而改变，这会直接影响到其与其他元素成键的能力。这项发现已发表于《自然》杂志。

“这是完全出乎预料的，因为锔的化学性质本应使它抗拒这类变化，”Albrech-Schmitt说道，“简短来说，锔是相当惰性的。”

虽然只有某些锔化合物展现出了这种变化，但这对科学家们而言仍然十分有趣，因为正常情况下锔对其性质的改变是完全抗拒的。

除Albrecht-Schmitt之外，领导这项研究的还有布法罗大学的化学教授Jochen Autschbach和Eva Zurek，以及位于德国的亚琛大学的研究员Manfred Speldrich。

锔的电子层。图片来源：维基百科

Albrecht-Schmitt的实验室的总体任务便是更好地理解这些位于周期表底部的锕系重元素，这一项工作也是其中一部分。在2016年，他得到了美国能源部一千万美元的资助，用以成立锕元素科学与技术中心，主要着眼于加速对于清理核废料的科学研究。

尽管这些重元素已经被填进了元素周期表，然而在很大程度上它们对科学家们来说仍然是个谜，尤其是与氧或者氮这样的轻元素相比较的时候。“这项实验所展现出来的是，我们对这些元素的化学性质的控制能力远比我们所认为的要强，这是十分激动人心的，”Albrecht-Schmitt说道。

“我们所研究的三价锔离子的外层电子层是半满的，这是非常难以形成化学键的，”布法罗大学的Larkin讲座化学教授Autschbach说道，“而实验与理论相结合的方法显示，通过给一块含有三价锔离子，有机硫和铵离子的晶体施加高压，会导致锔的外层电子参与和硫形成共价键。这一发现有可能对研究这些化学惰性的锕系壳层电子的神秘行为有引导作用。”

Autschbach在布法罗大学的研究小组通过计算帮助解释了在高压实验中发生了什么，揭示了含有锔元素的化合物在被金刚石挤压时锔的具体行为。Zurek的团队则通过确定这些化合物在高压下的晶体结构，为计算工作打下了基础。

发光的锔金属。锔的放射性很高，因此会在黑暗中发出紫光。图片来源：维基百科

“在高压下，物质和材料的性质可能会与常压条件下完全不同，这也使得在高压研究中的发现总是那么令人激动，”Zurek说道。

进行核废料回收和设计长期储存放射性元素的弹性材料都需要用到化学分离过程，而对重元素的更深了解可以为如何控制这些化学分离过程提供更多的策略，Albrecht-Schmitt说道。研究团队相信他们获取的这些与锔元素相关的结果也能转换到其他重元素的研究当中。

目前，这支研究团队准备接着这项工作继续研究，为更重的元素，例如锎和锿设计类似的实验。压力对这些元素产生的效应可能会比他们在锔元素上所发现的更加显著。

翻译：马新雨

审校：郝豪

引进来源：佛罗里达州立大学

引进链接：https://phys.org/news/2020-07-fsu-news-scientists-heavy-element.html

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