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研究既具有放射性又稀有的材料是一项艰巨的挑战。元素周期表中位于钚之后的元素被称为超钚元素，它们既具有高放射性又稀有。因此，人们对它们的化学性质仍然知之甚少。为了克服这些限制，研究人员通常依靠非放射性镧系元素作为替代物，用它们来推断铀以外的较重锕系元素的行为。
晶体学和光谱学证据表明，镅和锔可以形成多种多金属氧酸盐化合物，而镧系元素则无法形成这些化合物。图片来源：埃里克·B·史密斯，劳伦斯利弗莫尔国家实验室
多金属氧酸盐等重配体正在开辟锕系元素化学的新领域。在这项研究中，科学家开发了一种更有效的合成超钚化合物的方法。这一进步使得直接和准确地比较超钚锕系元素和其镧系元素替代物的化学性质成为可能。研究结果表明，超钚元素表现出真正不同的化学行为，这些差异无法仅基于镧系元素类似物进行可靠预测。
这项研究通过使用称为多金属氧酸盐配体的原子群来合成化合物，使除钚以外的锕系元素的实验研究变得高效。利用这些化合物的微小样本，科学家可以确定它们的结构、振动和光学特性。这大大降低了实验这些元素的成本和潜在的辐射暴露。
这也意味着研究同位素的使用效率更高，所需数量不到传统方法的 1%。科学家已经实施了这种方法，以简化对锕系元素镅和锔的研究。他们还对镧系元素和超钚化合物进行了直接比较。只有通过直接研究锕系元素而不是替代物，科学家才能揭示它们的真实化学性质。
本研究的实验结果明确表明，超钚锕系元素表现出其独特的化学性质，即其化学性质与镧系元素化学性质本质上不同。这些结果表明，即使在相同的配位化学框架内（由多金属氧酸盐配体提供），镧系元素和锕系元素也表现出根本的化学差异，这些差异无法通过简单的尺寸匹配论证来解释。例如，锔和镅产生的晶体结构无法根据镧系元素化学性质进行预测。
这项工作将允许创建针对锕系元素的多金属氧酸盐化合物，从而解锁新的分离和隔离策略。多金属氧酸盐配体放大了锕系元素和镧系元素之间通常微不足道的差异，甚至放大了镅和锔之间的差异。多金属氧酸盐化合物中锕系元素的结构和光谱影响即使在远距离也可以看到，例如整体结构的弯曲和扭曲以及锕系元素多金属氧酸盐复合物相对于彼此的排列。
另一个之前未曾想到的效应是碱金属反离子（即平衡化合物电荷的钠和铯），之前被认为是“观察离子”，对锕系元素和镧系元素多金属氧酸盐化合物具有不同的化学作用。这为寻找锕系元素和镧系元素形成非常不同化合物的化学系统打开了大门，可用于未来的应用，如检测、放射性核素捕获和 f 元素分离。
编译自/ScitechDaily
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