一种不应该存在的放射性分子 —— 但科学家们做到了

重元素化学的一项突破打破了人们长期以来对超铀元素的假设。

研究人员发现了“berkelocene”，这是第一个被表征含有重元素锫（berkelium）的有机金属分子。

这种分子仅用0.3毫克的锫-249合成，需要专门的设备来处理它对氧气、水和放射性的极端敏感性。

这一发现挑战了长期以来关于超铀元素的化学理论，特别是那些元素周期表上铀以外的元素。

锫：一种神秘的元素

来自美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的一组研究人员发现了“berkelocene”，这是第一个含有重元素锫的有机金属分子。

有机金属分子 —— 金属离子在碳基框架内结合的结构 —— 是众所周知的早期锕系元素，如铀（原子序数92）。然而，对于后来的锕系元素，如锫（原子序数97）来说，它们是极其罕见的。

“这是第一次获得在锫和碳之间形成化学键的证据。这一发现提供了对锫和其他锕系元素相对于元素周期表中同类元素的行为的新理解，”伯克利实验室化学科学部的科学家斯特凡·米纳斯说，他是发表在《科学》杂志上的一项新研究的四位共同通讯作者之一。

有伯克利根的重金属分子

锫是元素周期表f区15种锕系元素之一。锕系元素的上一排是镧系元素。

1949年，核化学家先驱格伦·西伯格在伯克利实验室发现了锫。这将成为他与伯克利实验室科学家埃德温·麦克米兰（Edwin McMillan）共同获得1951年诺贝尔化学奖的众多成就之一，以表彰他们在超铀元素化学方面的发现。

“这是第一次获得在锫和碳之间形成化学键的证据。”
Stefan Minasian，化学科学部的科学家

研究锫的挑战

多年来，伯克利实验室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度的对称性，并与碳形成多个共价键，这使得它们对观察锕系元素独特的电子结构很有用。

Minasian说：“当科学家研究更高对称性的结构时，这有助于他们理解自然界在原子水平上组织物质的潜在逻辑。”

但是，由于放射性很强，研究锫并不容易。全球每年只生产非常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，而且可能会发光。

“世界上只有少数设施能够同时保护化合物和工人，同时管理高放射性物质的综合危害，这种物质与空气中的氧气和水分发生强烈反应，”该论文的共同通讯作者、加州大学伯克利分校化学教授兼伯克利实验室（Berkeley Lab）化学科学部主任Polly Arnold说。

打破锫屏障

因此，Minasian， Arnold和共同通讯作者Rebecca Abergel（加州大学伯克利分校核工程和化学副教授，领导伯克利实验室重元素化学小组）组建了一个团队来克服这些障碍。

在伯克利实验室的重元素研究实验室，该团队定制设计了新的手套箱，可以用高放射性同位素进行无空气合成。然后，仅用0.3毫克的锫-249，研究人员进行了单晶X射线衍射实验。该团队获得的同位素最初是从国家同位素开发中心分发的，该中心由橡树岭国家实验室的DOE同位素项目管理。

令人惊讶的化学结构

结果显示，锫原子夹在两个8元碳环之间的对称结构。研究人员将该分子命名为“berkelocene”，因为它的结构类似于名为“双环辛四烯合铀”的铀有机金属配合物。(UC伯克利化学家安德鲁·斯特里特维泽（Andrew Streitwieser）和肯尼思·雷蒙德（Kenneth Raymond）在20世纪60年代末发现了双环辛四烯合铀。）

在一项意想不到的发现中，布法罗大学的共同通讯作者Jochen Autschbach进行的电子结构计算显示，Berkelocene结构中心的锫原子具有四价氧化态（正电荷+4），通过锫-碳键稳定。

重新思考元素周期表

“对元素周期表的传统理解表明，锫的行为与镧系铽类似，”Minasian说。

“但是在+4氧化态下，锫离子比我们预期的其他f区离子更容易被氧化，”Arnold说。

核科学的新视角

研究人员说，需要更准确的模型来显示锕系元素在元素周期表中的行为变化，以解决与长期核废料储存和修复有关的问题。Abergel说：“对后来的锕系元素，如锫，这幅更清晰的肖像为这些迷人元素的行为提供了一个新的视角。”

如果朋友们喜欢，敬请关注“知新了了”！