科学家们发现了“伯克洛烯”，这是第一个被表征的有机金属分子，包含重元素伯克利元素。这一突破打破了长期以来关于周期表中铀元素后面的元素化学的理论。
由美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）领导的研究小组发现了“伯克洛烯”，这是第一个被表征的有机金属分子，含有重元素伯克利元素。
有机金属分子是由金属离子被碳基框架包围而成，这种分子在铀（原子序数92）等早期锕系元素中相对常见，但在伯克利元素（原子序数97）等后期锕系元素中鲜有报道。
“这是首次获得关于伯克利元素与碳之间形成化学键的证据。这一发现为我们提供了关于伯克利元素及其他锕系元素相对于周期表中其它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·米纳西亚（Stefan Minasian）表示，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。
一个有着伯克利背景的重金属分子
伯克利元素是周期表f区块中15种锕系元素之一。锕系元素上方一行是镧系元素。
开创性的核化学家格伦·西布洛格（Glenn Seaborg）在1949年于伯克利实验室发现了伯克利元素。这只是导致他与伯克利实验室的同事爱德温·麦克米伦（Edwin McMillan）共同获得1951年诺贝尔化学奖的众多成就之一，主要是因他们在超铀元素化学方面的发现。
多年来，伯克利实验室化学科学部的重元素化学小组致力于准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，使它们在观察锕系元素独特的电子结构方面非常有用。
“当科学家研究更高对称性结构时，有助于他们理解自然在原子层面组织物质的基础逻辑，”米纳西亚说。
但伯克利元素的研究并不容易，因为它具有高度的放射性。而且，每年全球仅生产非常微量的这种人造重元素。增加了难度的是，有机金属分子对空气极为敏感，且可能具有自燃性。
“全球只有少数设施可以在管理高度放射性材料与空气中氧气和湿气剧烈反应的综合危险的同时保护化合物和工作人员，”论文共同通讯作者、加州大学伯克利分校化学教授以及伯克利实验室化学科学部主任波莉·阿诺德（Polly Arnold）表示。
打破伯克利元素障碍
因此，米纳西亚、阿诺德以及共同通讯作者、加州大学伯克利分校核工程和化学副教授、伯克利实验室重元素化学小组负责人丽贝卡·阿伯吉尔（Rebecca Abergel）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，团队定制设计了新的手套箱，使其能够与高度放射性同位素进行无空气合成。然后，研究人员用仅0.3毫克的伯克利-249进行了单晶X射线衍射实验。该同位素最初由国家同位素开发中心分配，该中心由橡树岭国家实验室的能源部同位素项目管理。
结果显示出一种对称的结构，伯克利原子夹在两个8元碳环之间。研究人员将该分子命名为“伯克洛烯”，因为其结构类似于一种名为“铀烯”的铀有机金属络合物。（加州大学伯克利分校的化学家安德鲁·斯特雷特维泽（Andrew Streitwieser）和肯尼斯·雷蒙德（Kenneth Raymond）在1960年代末发现了铀烯。）
在一个意外发现中，由共同通讯作者、布法罗大学的约亨·奥图斯巴赫（Jochen Autschbach）进行的电子结构计算显示，伯克洛烯结构中心的伯克利原子具有四价氧化态（正电荷+4），这是由伯克利-碳键的稳定所致。
“传统对周期表的理解认为，伯克利元素的行为将类似于镧系的铽，”米纳西亚说。
“但伯克利离子的四价氧化态要比我们预期的其他f区块离子更为稳定，”阿诺德说。
研究人员表示，需要更准确的模型来展示锕系元素在周期表中行为的变化，以解决与长期核废料存储和修复相关的问题。
“对伯克利元素等后期锕系元素的更清晰的描绘为理解这些迷人元素的行为提供了新视角，”阿伯吉尔说。
这项工作得到了美国能源部科学办公室的支持。
