探索复杂电子壳层的深度对铀复杂化学性质的新见解

重金属铀除了具有放射性外，还因其复杂的化学性质和多样的键合行为而闻名。现在，一个国际科学家团队利用罗森多夫光束线 (ROBL) 的同步加速器光来探索低价铀化合物的独特性质，研究人员在《自然通讯》杂志上报告称。

在位于格勒诺布尔的欧洲同步辐射装置 (ESRF)，德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心 (HZDR) 运行着四个放射化学实验站。

铀属于元素周期表中的锕系元素，由于其复杂的电子结构，长期以来一直引起科学家的好奇。其不同寻常的键合特性表现为多种氧化状态——有时甚至很奇特。

“在我们目前的研究中，我们专注于低价铀，与其他更常见的铀化合物相比，其内壳层含有更多电子。具体来说，我们研究了铀所谓的 5f 电子的行为——这些电子尽管位于内壳层，但在该元素的化学性质中起着至关重要的作用。这些电子显著影响了铀与其他元素的结合方式，”HZDR 资源生态研究所的博士生克拉拉·席尔瓦 (Clara Silva) 说。

“由于铀具有放射性，实验在这里进行，这是一个专门为锕系元素研究而设计的设施。这个环境提供了开展研究所需的安全规程和先进的设备，”ROBL 和该研究所分子结构系主任 Kristina Kvashnina 教授说。

为了获得新的见解，该团队使用了一种称为共振非弹性 X 射线散射(RIXS)的技术。RIXS 是一种强大的方法，它涉及用 X 射线轰击材料，然后测量 X 射线从材料散射时损失的能量。这种能量损失提供了有关材料电子结构的详细信息，有助于科学家了解电子(如铀 5f 轨道中的电子)的行为和相互作用。

研究人员用另一种专门的X射线技术补充了他们的发现：所谓的HERFD-XANES方法通过将高能分辨率荧光检测(HERFD部分)与X射线吸收近边结构分析(缩写为XANES)相结合，提供有关材料电子结构的高度详细信息。

了解铀的独特键合行为

“我们首次能够准确识别和直接检测铀中的三价氧化态，简称U(III)，揭示铀原子如何与氟和氯等元素相互作用和结合，”Kvashnina 概述了她的团队历时 15 年的研究成果。

这一发现为锕系元素键合的性质提供了新的见解，并揭示了铀的 5f 电子如何响应其环境的变化。

研究低价铀化合物并非没有挑战。这些化合物的稳定性不如其他含铀材料，需要严格控制条件以防止发生不良反应。

为了保持铀样品的稳定性，研究是在缺氧条件下进行的(即不接触氧气)并且温度极低。此外，数据的复杂性要求使用尖端理论方法来准确模拟铀的电子结构和键合特性。

意想不到的见解和更广泛的影响

“这项研究最令人惊讶的发现之一是铀的 5f 电子对其局部环境的敏感程度，这会影响其键的离子特性。这一发现挑战了现有的锕系元素键合理论，并开辟了锕系元素物理和化学研究的新途径，”席尔瓦说。

除了其根本重要性之外，该团队的工作在实际方面也很有趣，例如，既可用于一般的辐射防护方面，也可用于放射性废物储存库的安全。低价铀化合物的溶解度特别低，这降低了它们的环境流动性并有助于控制污染。

此外，这项研究的影响可能远不止于此。通过加强我们对低价铀系统的了解，科学家现在可以改进预测此类复杂元素行为的理论模型。

这些见解将有助于未来各个科学学科的研究，有可能推动从核科学到环境化学等领域的新发展。