有機金屬分子通常由金屬離子被碳基框架包圍而成。對于早期的錒系元素,如鈾(原子序數92),有機金屬分子較為常見,但對于后期的锫(原子序數97),則非常罕見。此次發現的“锫茂”分子,是首次獲得锫和碳之間形成化學鍵的證據。
伯克利實驗室化學科學部科學家斯蒂芬·米納西安表示,這一發現為了解锫和其他錒系元素相對于元素周期表中其他元素的行為提供了新的見解。锫是元素周期表f區15種錒系元素之一,由先驅核化學家格倫·西博格于1949年在伯克利實驗室發現。多年來,伯克利實驗室化學科學部的重元素化學小組一直致力于制備錒系元素的有機金屬化合物,因為這些分子具有高度對稱性并與碳形成多個共價鍵,可用于觀察錒系元素獨特的電子結構。
然而,锫并不容易研究,因為它具有很強的放射性,且全球每年只有極少量的這種合成重元素被生產出來。有機金屬分子對空氣極其敏感,可能自燃,這進一步增加了研究難度。為此,米納西安、加州大學伯克利分校化學教授波莉·阿諾德以及加州大學伯克利分校核工程與化學副教授麗貝卡·阿伯格爾組建了一個團隊,克服這些障礙。
在伯克利實驗室的重元素研究實驗室,團隊定制設計了新的手套箱,實現了高放射性同位素的無空氣合成。然后,研究人員僅用0.3毫克的锫-249進行了單晶X射線衍射實驗。結果顯示,锫原子呈對稱結構,夾在兩個8元碳環之間。研究人員將該分子命名為“锫茂”,因為其結構類似于一種名為“鈾茂”的鈾有機金屬復合物。
一個意外的發現是,由布法羅大學的共同通訊作者Jochen Autschbach進行的電子結構計算表明,二茂锫結構中心的锫原子具有四價氧化態(正電荷為+4),并由锫-碳鍵穩定。米納西安說,傳統的元素周期表理解認為,锫的行為類似于鑭系元素鋱,但此次實驗發現,锫離子在+4氧化態下的表現比預期最相似的其他f區離子要好得多。
研究人員表示,需要更精確的模型來展示錒系元素在元素周期表中的行為如何變化,以解決與長期核廢料儲存和修復相關的問題。阿伯格爾說,對锫等后期錒系元素的這種更清晰的描述,為了解這些迷人元素的行為提供了新的視角。
這項工作得到了美國能源部科學辦公室的支持。