科學研究：在高壓下化學成分會改變的重元素
來源：環球科學
發布時間：2021-06-10
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科學研究：在高壓下化學成分會改變的重元素
散發著橙色輝光的鋦晶體，研究者們正是用它來監測在施加壓力下其化學性質的變化。圖片來源：Thomas Albrecht-Schmitt / Nature
一項新的研究表明，一種已知最重的元素可被人們操控的程度比之前人們所想的更大。這一發現或為發展核燃料回收以及放射性元素的長期儲存鋪平了道路。
通過使用兩塊金剛石擠壓樣品的方式，一支國際研究團隊向我們展示出了元素周期表中的第96號元素，同時也是最後一種仍能被肉眼看到的元素——鋦，在高壓下會發生怎樣的響應。
這支團隊由佛羅裏達州立大學的Thomas Albrecht-Schmitt教授及其在布法羅大學和亞琛大學的合作者帶領。他們發現，鋦的外層電子的行為會隨著縮短其與周圍更輕的原子的距離而改變，這會直接影響到其與其他元素成鍵的能力。這項發現已發表於《自然》雜誌。
“這是完全出乎預料的，因為鋦的化學性質本應使它抗拒這類變化，”Albrech-Schmitt說道，“簡短來說，鋦是相當惰性的。”
雖然隻有某些鋦化合物展現出了這種變化，但這對科學家們而言仍然十分有趣，因為正常情況下鋦對其性質的改變是完全抗拒的。
除Albrecht-Schmitt之外，領導這項研究的還有布法羅大學的化學教授Jochen Autschbach和Eva Zurek，以及位於德國的亞琛大學的研究員Manfred Speldrich。
鋦的電子層。圖片來源：維基百科
Albrecht-Schmitt的實驗室的總體任務便是更好地理解這些位於周期表底部的錒係重元素，這一項工作也是其中一部分。在2016年，他得到了美國能源部一千萬美元的資助，用以成立錒元素科學與技術中心，主要著眼於加速對於清理核廢料的科學研究。
盡管這些重元素已經被填進了元素周期表，然而在很大程度上它們對科學家們來說仍然是個謎，尤其是與氧或者氮這樣的輕元素相比較的時候。“這項實驗所展現出來的是，我們對這些元素的化學性質的控製能力遠比我們所認為的要強，這是十分激動人心的，”Albrecht-Schmitt說道。
“我們所研究的三價鋦離子的外層電子層是半滿的，這是非常難以形成化學鍵的，”布法羅大學的Larkin講座化學教授Autschbach說道，“而實驗與理論相結合的方法顯示，通過給一塊含有三價鋦離子，有機硫和銨離子的晶體施加高壓，會導致鋦的外層電子參與和硫形成共價鍵。這一發現有可能對研究這些化學惰性的錒係殼層電子的神秘行為有引導作用。”
Autschbach在布法羅大學的研究小組通過計算幫助解釋了在高壓實驗中發生了什麽，揭示了含有鋦元素的化合物在被金剛石擠壓時鋦的具體行為。Zurek的團隊則通過確定這些化合物在高壓下的晶體結構，為計算工作打下了基礎。
發光的鋦金屬。鋦的放射性很高，因此會在黑暗中發出紫光。圖片來源：維基百科
“在高壓下，物質和材料的性質可能會與常壓條件下完全不同，這也使得在高壓研究中的發現總是那麽令人激動，”Zurek說道。
進行核廢料回收和設計長期儲存放射性元素的彈性材料都需要用到化學分離過程，而對重元素的更深了解可以為如何控製這些化學分離過程提供更多的策略，Albrecht-Schmitt說道。研究團隊相信他們獲取的這些與鋦元素相關的結果也能轉換到其他重元素的研究當中。
目前，這支研究團隊準備接著這項工作繼續研究，為更重的元素，例如鐦和鎄設計類似的實驗。壓力對這些元素產生的效應可能會比他們在鋦元素上所發現的更加顯著。
翻譯：馬新雨
審校：郝豪
引進來源：佛羅裏達州立大學
引進鏈接：https://phys.org/news/2020-07-fsu-news-scientists-heavy-element.html


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