研究既具有放射性又稀有的材料是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。元素周期表中位于钚之后的元素被稱為超钚元素，它們既具有高放射性又稀有。因此，人們對(duì)它們的化學(xué)性質(zhì)仍然知之甚少。為了克服這些限制，研究人員通常依靠非放射性鑭系元素作為替代物，用它們來(lái)推斷鈾以外的較重錒系元素的行為。
晶體學(xué)和光譜學(xué)證據(jù)表明，镅和鋦可以形成多種多金屬氧酸鹽化合物，而鑭系元素則無(wú)法形成這些化合物。圖片來(lái)源：埃里克·B·史密斯，勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室
多金屬氧酸鹽等重配體正在開(kāi)辟錒系元素化學(xué)的新領(lǐng)域。在這項(xiàng)研究中，科學(xué)家開(kāi)發(fā)了一種更有效的合成超钚化合物的方法。這一進(jìn)步使得直接和準(zhǔn)確地比較超钚錒系元素和其鑭系元素替代物的化學(xué)性質(zhì)成為可能。研究結(jié)果表明，超钚元素表現(xiàn)出真正不同的化學(xué)行為，這些差異無(wú)法僅基于鑭系元素類似物進(jìn)行可靠預(yù)測(cè)。
這項(xiàng)研究通過(guò)使用稱為多金屬氧酸鹽配體的原子群來(lái)合成化合物，使除钚以外的錒系元素的實(shí)驗(yàn)研究變得高效。利用這些化合物的微小樣本，科學(xué)家可以確定它們的結(jié)構(gòu)、振動(dòng)和光學(xué)特性。這大大降低了實(shí)驗(yàn)這些元素的成本和潛在的輻射暴露。
這也意味著研究同位素的使用效率更高，所需數(shù)量不到傳統(tǒng)方法的 1%?？茖W(xué)家已經(jīng)實(shí)施了這種方法，以簡(jiǎn)化對(duì)錒系元素镅和鋦的研究。他們還對(duì)鑭系元素和超钚化合物進(jìn)行了直接比較。只有通過(guò)直接研究錒系元素而不是替代物，科學(xué)家才能揭示它們的真實(shí)化學(xué)性質(zhì)。
本研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果明確表明，超钚錒系元素表現(xiàn)出其獨(dú)特的化學(xué)性質(zhì)，即其化學(xué)性質(zhì)與鑭系元素化學(xué)性質(zhì)本質(zhì)上不同。這些結(jié)果表明，即使在相同的配位化學(xué)框架內(nèi)（由多金屬氧酸鹽配體提供），鑭系元素和錒系元素也表現(xiàn)出根本的化學(xué)差異，這些差異無(wú)法通過(guò)簡(jiǎn)單的尺寸匹配論證來(lái)解釋。例如，鋦和镅產(chǎn)生的晶體結(jié)構(gòu)無(wú)法根據(jù)鑭系元素化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。
這項(xiàng)工作將允許創(chuàng)建針對(duì)錒系元素的多金屬氧酸鹽化合物，從而解鎖新的分離和隔離策略。多金屬氧酸鹽配體放大了錒系元素和鑭系元素之間通常微不足道的差異，甚至放大了镅和鋦之間的差異。多金屬氧酸鹽化合物中錒系元素的結(jié)構(gòu)和光譜影響即使在遠(yuǎn)距離也可以看到，例如整體結(jié)構(gòu)的彎曲和扭曲以及錒系元素多金屬氧酸鹽復(fù)合物相對(duì)于彼此的排列。
另一個(gè)之前未曾想到的效應(yīng)是堿金屬反離子（即平衡化合物電荷的鈉和銫），之前被認(rèn)為是“觀察離子”，對(duì)錒系元素和鑭系元素多金屬氧酸鹽化合物具有不同的化學(xué)作用。這為尋找錒系元素和鑭系元素形成非常不同化合物的化學(xué)系統(tǒng)打開(kāi)了大門，可用于未來(lái)的應(yīng)用，如檢測(cè)、放射性核素捕獲和 f 元素分離。
編譯自/ScitechDaily
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