科学家发现新型重金属分子“锫茂（Berkelocene）”
关键要点
- 科学家们发现了“锫茂（berkelocene）”，这是首个被鉴定的含有重元素锫的有机金属分子。
- 这种对氧气和水极其敏感的化合物由0.3毫克的锫-249制成，使用了专门用于处理对空气敏感和放射性材料的设施。
- 这一突破颠覆了长期以来关于元素周期表中铀之后元素化学性质的理论。
由美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）领导的一个研究团队发现了“锫茂（berkelocene）”，这是首个被鉴定的含有重元素锫的有机金属分子。
有机金属分子由金属离子和碳基框架构成，对于像铀（原子序数92）这样的早期锕系元素来说相对常见，但对于像锫（原子序数97）这样的后期锕系元素来说却鲜为人知。
“这是首次获得锫和碳之间形成化学键的证据。这项发现为我们提供了关于锫和其他锕系元素在元素周期表中相对于其同类元素如何表现的新理解，” Berkeley Lab化学科学部的科学家 Stefan Minasian 说道，他是发表在《Science》杂志上的一项新研究的四位共同通讯作者之一。
源于 Berkeley 的重金属分子
锫是元素周期表 f 区的15个锕系元素之一。 锕系元素上一行是镧系元素。
先驱核化学家 Glenn Seaborg 于 1949 年在 Berkeley Lab 发现了锫。这将成为他与 Berkeley Lab 科学家 Edwin McMillan 因其在超铀元素化学方面的发现而共同获得 1951 年诺贝尔化学奖的众多成就之一。
“这是首次获得锫和碳之间形成化学键的证据。”
– Stefan Minasian，化学科学部研究员
多年来，Berkeley Lab 化学科学部的重元素化学小组一直致力于制备锕系元素的有机金属化合物，因为这些分子通常具有高对称性，并与碳形成多个共价键，这使得它们对于观察锕系元素的独特电子结构非常有用。
“当科学家们研究高对称性结构时，这有助于他们理解自然界用于在原子层面组织物质的潜在逻辑，”Minasian 说道。
从左至右：Dominic Russo、Amy Price、Alyssa Gaiser、Polly Arnold、Jacob Branson 和 Jennifer Wacker 在 Berkeley Lab 的重元素研究实验室。他们是发表在《Science》上的一项新研究的共同作者，该研究报告了他们发现的重金属分子锫茂。 (图片来源: Stefan Minasian/Berkeley Lab)
但是，锫不易研究，因为它具有很高的放射性。而且，每年全球仅生产极少量的这种合成重元素。更困难的是，有机金属分子对空气极其敏感，并且可能自燃。
“世界上只有少数几个设施可以保护化合物和工作人员，同时管理高度放射性材料与空气中的氧气和水分剧烈反应的综合危害，”该论文的共同通讯作者 Polly Arnold 说道，她是加州大学 Berkeley 分校的化学教授，也是 Berkeley Lab 化学科学部的主任。
打破锫的壁垒
因此，Minasian、Arnold 和共同通讯作者 Rebecca Abergel（加州大学 Berkeley 分校核工程和化学副教授，也是 Berkeley Lab 重元素化学小组的负责人）组建了一个团队来克服这些障碍。
在 Berkeley Lab 的重元素研究实验室，该团队定制设计了新的手套箱，从而可以使用高度放射性同位素进行无空气合成。然后，研究人员仅用 0.3 毫克的锫-249 进行了单晶 X 射线衍射实验。该团队获得的同位素最初由美国能源部同位素项目在 Oak Ridge National Laboratory 管理的国家同位素发展中心分发。
结果显示，锫原子夹在两个 8 元碳环之间，形成一个对称的结构。研究人员将该分子命名为“锫茂（berkelocene）”，因为它的结构类似于一种名为“铀茂（uranocene）”的铀有机金属络合物。（加州大学 Berkeley 分校的化学家 Andrew Streitwieser 和 Kenneth Raymond 在 1960 年代后期发现了铀茂。）
加州大学 Buffalo 分校的共同通讯作者 Jochen Autschbach 进行的电子结构计算结果出人意料地表明，锫茂结构中心的锫原子具有四价氧化态（正电荷 +4），这种状态由锫-碳键稳定。
“对元素周期表的传统理解表明，锫的行为应该类似于镧系元素铽，”Minasian 说道。
“但锫离子在 +4 氧化态下比我们预期的其他 f 区离子更稳定，”Arnold 说道。
研究人员表示，需要更准确的模型来展示锕系元素的行为如何在元素周期表中变化，以解决与长期核废料储存和修复相关的问题。“这种对锫等后期锕系元素更清晰的描述为深入了解这些迷人元素的行为提供了一个新的视角，”Abergel 说道。
这项工作得到了美国能源部科学办公室的支持。
Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) 致力于以开创性的研究专注于发现科学和为丰富且可靠的能源供应提供解决方案。实验室的专业知识涵盖材料、化学、物理、生物、地球和环境科学、数学和计算。来自世界各地的研究人员依靠实验室世界一流的科研设施进行自己的开创性研究。Berkeley Lab 成立于 1931 年，秉承最大的问题最好由团队解决的理念，Berkeley Lab 及其科学家获得了 16 项诺贝尔奖。Berkeley Lab 是由加利福尼亚大学为美国能源部科学办公室管理的多个项目国家实验室。
美国能源部科学办公室是美国物理科学基础研究的最大支持者，并正在努力解决我们时代面临的一些最紧迫的挑战。有关更多信息，请访问 energy.gov/science。
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