大力出奇跡，不可能變可能！重元素在高壓下也能發(fā)生化學(xué)變化！

作為肉眼能看到的最后一種元素之一，鋦在錒系元素中是獨(dú)一無(wú)二的，因?yàn)樗陌胩畛?f?7殼層的能量比其他5f?n結(jié)構(gòu)低，因此它既不易氧化還原，又不易形成與5f殼層結(jié)合的化學(xué)鍵。

然而，在高壓下，金屬鋦的5f電子經(jīng)歷了從局域到流動(dòng)的轉(zhuǎn)變。這種轉(zhuǎn)變伴隨著由鋦原子之間的磁相互作用所決定的晶體結(jié)構(gòu)。

那么，是否也可以通過(guò)施加壓力來(lái)改變鋦（III）-配體相互作用中的前線金屬軌道，從而誘導(dǎo)形成具有一定共價(jià)性的金屬-配體鍵呢？

由佛羅里達(dá)州立大學(xué)教授Thomas?Albrecht-Schmitt及布法羅大學(xué)和亞琛大學(xué)的合作者領(lǐng)導(dǎo)的研究小組展示了鋦是如何對(duì)擠壓兩顆鉆石之間的樣品所產(chǎn)生的高壓作出反應(yīng)的：通過(guò)縮短其與周圍較輕原子之間的距離，可以對(duì)影響鋦與其他元素結(jié)合能力的外層電子的行為進(jìn)行改變。研究結(jié)果以“Compression of curium pyrrolidine-dithiocarbamate?enhances covalency”發(fā)表在Nature雜志上。

不同尋常的光譜性質(zhì)

圖1：Cm-1的分子結(jié)構(gòu)。

Cm-1單晶的吸收光譜顯示出與Cm³⁺一致的特征性尖銳f–f躍遷。更重要的是，溫度變化得到的光致發(fā)光光譜顯示中心在16635cm^?1（611nm）的主峰出現(xiàn)了743cm^?1的異常大分裂，如圖2a所示。這種轉(zhuǎn)變是由發(fā)射Group A態(tài)的四個(gè)不同能級(jí)引起的。利用Cm³⁺苯六甲酸酯（[C6(CO2)6]6-）化合物Cm2（mellitate）(H2O)8·2H2O（Cm-2）作為比較，并用相同的方法對(duì)其進(jìn)行了表征。這種化合物只含有與配體的羧基部分或水分子結(jié)合的Cm-O鍵，其中發(fā)射態(tài)的四個(gè)配體場(chǎng)能級(jí)即使在低溫下也無(wú)法從16750cm^?1（597 nm）處的主峰分辨出來(lái)。

a：Cm-1中[Cm(pydtc)4]-陰離子的熱橢球圖，Cm3+陽(yáng)離子由四個(gè)雙齒pydtc-配體絡(luò)合。b：Cm-1陰離子結(jié)構(gòu)，顯示配體環(huán)境。

具有橙色光芒的鋦晶體，研究人員用它來(lái)監(jiān)測(cè)施加壓力時(shí)的化學(xué)變化。由Thomas Albrecht Schmitt提供/Nature

圖2：[NH4][Cm(pydtc)4]·2CH3OH（Cm-1）的磷光光譜。

a：Cm-1的溫度依賴光譜顯示了發(fā)射態(tài)Stark能級(jí)的大分裂。b：Cm-1的壓力相關(guān)光譜顯示了在壓力作用下銳利特征峰是如何變寬的。兩種光譜的激發(fā)波長(zhǎng)均為λex=420 nm。

Cm-1和Cm-2具有不同的壓力響應(yīng)。當(dāng)施加壓力時(shí)，Cm-1顯示出明顯的紅移，最大波長(zhǎng)（λmax）以約2 nm GPa^?1線性增加，從環(huán)境壓力（10^?4GPa）下的611.38±0.03 nm增加到10.65 GPa時(shí)的633.4±0.01 nm（圖3）。此外，隨著壓力的增加，這一特征峰明顯變寬。在低壓下，特征峰的半峰寬（FWHM）從337±2 cm^?1增加到1098±5?cm^?1，配位場(chǎng)分裂不再可見(jiàn)。這與Cm-2的行為形成對(duì)比，后者受壓力增加的影響明顯較小。圖3顯示了兩種鋦配合物的峰值位移和強(qiáng)度隨壓力的變化。

圖3：Cm-1和Cm-2的壓力響應(yīng)比較。

a-d：Cm-1的發(fā)射強(qiáng)度（a）和λmax（b），Cm-2的發(fā)射強(qiáng)度（c）和λmax（d）。加壓后，Cm-1的強(qiáng)度穩(wěn)定下降和波長(zhǎng)的穩(wěn)定增加顯示出平滑的變化，而Cm-2的強(qiáng)度曲線沒(méi)有顯示出一致的變化。Cm-2的峰位置確實(shí)隨著壓力的增大而增大；但它的增大速度慢得多，并且沒(méi)有觀察到Cm-1的線性趨勢(shì)。

Cm-1和Cm-2的吸收光譜隨壓力的變化也顯示出相當(dāng)大的差異。雖然Cm-1的f–f躍遷很快被屬于pydtc配體的寬帶躍遷所遮蔽，但在被遮蔽之前，它們表現(xiàn)出相當(dāng)大的紅移，在4 GPa時(shí)峰值偏移在180? cm^?1和245??cm^?1之間。相比之下，Cm-2的吸收特性仍然不明顯，直到7 GPa僅顯示出小于130? cm^?1的微小的紅移。這一位移與pydtc配合物的Nd³⁺對(duì)應(yīng)物質(zhì)（Nd-1）的位移非常接近。

“這是沒(méi)有預(yù)料到的，因?yàn)殇|的化學(xué)性質(zhì)使它能夠抵抗這些類型的變化?！?Albrecht-Schmitt說(shuō)：“簡(jiǎn)而言之，它是相當(dāng)惰性的”。

理論計(jì)算揭示高壓下的化學(xué)鍵變化

圖4：描述Cm-1中Cm-S鍵選擇的NLMO。

示例顯示了施加壓力后Cm-S鍵組成的最大變化。比較0和11GPa下選擇的NLMO，發(fā)現(xiàn)主要差異是在較高壓力下增加的Cm貢獻(xiàn)和5f參與量。

為了解釋了高壓實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的獨(dú)特現(xiàn)象，布法羅大學(xué)的Autschbach小組進(jìn)行了計(jì)算，揭示了當(dāng)含有鋦元素的化合物被擠壓在鉆石之間時(shí)，鋦的行為細(xì)節(jié)。Zurek的團(tuán)隊(duì)通過(guò)確定高壓下化合物的晶體結(jié)構(gòu)為這些計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。

密度泛函理論（DFT）對(duì)化合物光譜的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值具有良好的一致性。對(duì)MC-pDFT+SO的自然定域分子軌道（NLMOs）和CASSCF標(biāo)量相對(duì)論（SR）波函數(shù)基態(tài)的分析證實(shí)，與Cm-2相比，Cm-1中的壓力誘導(dǎo)金屬-配體鍵增強(qiáng)。兩種方法都定性地支持共價(jià)性在高壓下增大，盡管鍵的極化和5f電子的參與不同。對(duì)于MC-pDFT+SO，6d和5f軌道對(duì)Cm-1的Cm-S鍵的影響隨壓力的增加而略有增加。這是壓力誘導(dǎo)Cm3+中心周圍對(duì)等的配體球收縮的結(jié)果，有利于更好的軌道重疊（雜化），因此配體與金屬成鍵。CASSCF-SR計(jì)算顯示了一個(gè)包含更多的共價(jià)性的5f亞殼層，并且對(duì)施加的壓力敏感，比較0GPa和11GPa下的配合物，變化高達(dá)12%。利用Wiberg鍵級(jí)、離域指數(shù)和有效鍵級(jí)可以定量地描述鍵合強(qiáng)度隨壓力的變化，均顯示出同一趨勢(shì)。

Zurek說(shuō)：“在壓力下，化合物和材料的行為與在大氣條件下完全不同，這使得高壓研究中的發(fā)現(xiàn)如此令人興奮。”?Albrecht-Schmitt也表示：“這是一個(gè)令人興奮的實(shí)驗(yàn)，表明我們對(duì)這些難以控制的元素的化學(xué)控制比以前想象的要大得多。”。

小結(jié)

Albrecht-Schmitt的工作是他實(shí)驗(yàn)室整體任務(wù)的一部分，目的是更好地了解元素周期表底部的較重元素或錒系元素。盡管重元素存在于元素周期表上，但對(duì)科學(xué)家來(lái)說(shuō)，重元素在很大程度上仍然是個(gè)謎，特別是與氧或氮等較輕元素相比。Albrecht Schmitt表示，對(duì)較重元素的進(jìn)一步了解，為控制用于原子核回收和設(shè)計(jì)長(zhǎng)期儲(chǔ)存放射性元素的可回復(fù)材料的化學(xué)分離增加了策略。研究小組相信，他們所取得的與鋦有關(guān)的結(jié)果也可以轉(zhuǎn)移到其他重元素。

研究小組計(jì)劃在這項(xiàng)工作的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)類似的實(shí)驗(yàn)，研究如锎和锿等較重的元素，在這些元素中，壓力的影響可能比他們發(fā)現(xiàn)的對(duì)鋦的影響更大。