認(rèn)真閱讀下面的文章，并思考文末互動(dòng)提出的問題，嚴(yán)格按照互動(dòng)：你的答案格式在評(píng)論區(qū)留言，就有機(jī)會(huì)獲得由江蘇鳳凰科學(xué)技術(shù)出版社提供的優(yōu)質(zhì)科普書籍《模擬宇宙：我們生活在虛擬世界嗎》。

這些奇特的化學(xué)物質(zhì)或許能夠解釋為何地球在某些元素方面似乎存在“匱乏”現(xiàn)象——而且它們還可能在催化劑等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

近一個(gè)世紀(jì)以來，地球科學(xué)家一直在思考一個(gè)謎團(tuán)：地球上的輕元素都去了哪里？與太陽以及某些隕石中的含量相比，地球上的氫、碳、氮和硫，以及氦等稀有氣體的含量都明顯更低——某些元素甚至少了 99% 以上。

部分差異可以用地球形成過程中向太陽系空間的損失來解釋。但長(zhǎng)期以來，研究人員懷疑，還有其他機(jī)制在起作用。

最近，一支科學(xué)家團(tuán)隊(duì)提出了一種可能的解釋——這些元素或許隱藏在地球堅(jiān)固的內(nèi)核深處。在高達(dá)360吉帕（約為大氣壓的360萬倍）的極端壓力條件下，鐵的行為變得異常，轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N電子化合物（electride）：一種鮮為人知的金屬形態(tài)，能夠吸納輕元素。

該研究的共同作者、來自上海高壓科學(xué)與技術(shù)先進(jìn)研究中心（Center for High Pressure Science & Technology Advanced Research）的固體物理學(xué)家金德永（Duck Young Kim）表示，這些輕元素的吸收過程可能在數(shù)十億年間逐漸發(fā)生——而且可能至今仍在持續(xù)。這將解釋為何地震波穿過地球時(shí)所反映出的內(nèi)核密度比純金屬情況下預(yù)期的數(shù)值低5%至8%。

電子化合物如今正迎來屬于它們的時(shí)代。從多個(gè)方面來看，它們不僅可能幫助解決行星科學(xué)中的謎團(tuán)，如今還可以在室溫和常壓條件下由多種元素制備。而且，由于所有電子化合物都含有易于向其他分子提供的活性電子，它們成為了理想的催化劑以及功能材料來幫助推進(jìn)困難的化學(xué)反應(yīng)。

目前已有一種電子化合物被用于催化氨的生產(chǎn)——氨是化肥的關(guān)鍵成分；其日本開發(fā)者聲稱，該工藝比傳統(tǒng)制氨方法節(jié)能20%。與此同時(shí)，化學(xué)家們也在發(fā)現(xiàn)新的電子化合物，有望帶來更廉價(jià)、更環(huán)保的制藥方法。

當(dāng)今的挑戰(zhàn)在于尋找更多這類極具潛力的材料，并理解控制它們形成的化學(xué)規(guī)律。

位于德國(guó)路德維希港（Ludwigshafen）的氨生產(chǎn)工廠已運(yùn)行超過一個(gè)世紀(jì)。它是首個(gè)采用哈柏-博施工藝（Haber-Bosch process）的工廠，該工藝為其發(fā)明者弗里茨·哈柏（Fritz Haber）和卡爾·博施（Carl Bosch）贏得了諾貝爾獎(jiǎng)。如今，包括巴斯夫公司（BASF）運(yùn)營(yíng)的這座工廠在內(nèi)的多家工廠，正尋求更加可再生的制氨方式。

高壓下的電子化合物

大多數(shù)固體由有序排列的原子晶格構(gòu)成，而電子化合物則不同。它們的晶格中存在一些小“口袋”，電子獨(dú)自占據(jù)其中。

普通金屬具有不固定于單個(gè)原子的電子。這些是外層電子或價(jià)電子，它們可以在原子之間自由移動(dòng)，形成所謂的“電子海”。這解釋了金屬為何能夠?qū)щ姟?/p>

而在電子化合物中，外層電子同樣不再圍繞某一特定原子軌道運(yùn)行，但它們也不能自由移動(dòng)。相反，它們被困在原子之間被稱為非核吸引子（non-nuclear attractor）的位置。這賦予了材料獨(dú)特的性質(zhì)。在地核鐵的情況下，負(fù)電荷電子在超高壓力（相當(dāng)于最深海底壓力的3000倍）下形成的非核吸引子位置上穩(wěn)定輕元素。這些輕元素會(huì)擴(kuò)散進(jìn)入金屬內(nèi)部，從而解釋其在地表豐度降低的現(xiàn)象。

3000 開爾文（約 2727 攝氏度）溫度下、100 吉帕（GPa）和 300 吉帕壓力條件下，氫原子（粉色）進(jìn)入鐵晶格結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)

在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家模擬了在 3000 開爾文（約 2727 攝氏度）溫度下、100 吉帕（GPa）和 300 吉帕壓力條件下，氫原子（粉色）進(jìn)入鐵晶格結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。在更高壓力（上圖）下，會(huì)形成電子化合物，這一點(diǎn)可以通過鐵晶格內(nèi)部氫分布的改變看出——這些位置代表帶負(fù)電的非核吸引子位點(diǎn)，氫原子在此結(jié)合形成氫化物離子。金德勇及其合作者認(rèn)為，在模擬中觀察到的高壓下氫分布變化，是地球內(nèi)核鐵中形成具有非核吸引子位點(diǎn)的電子化合物的有力證據(jù)。

2009年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)首個(gè)能夠在高壓下形成電子化合物的金屬是鈉（sodium）。在 200 吉帕（約為大氣壓的 200 萬倍）壓力下，鈉會(huì)從一種有光澤、可反射、可導(dǎo)電的金屬，轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N透明、玻璃狀、絕緣的材料。

英國(guó)劍橋大學(xué)（University of Cambridge）的計(jì)算與理論化學(xué)家斯特凡諾·拉喬皮（Stefano Racioppi）表示這一發(fā)現(xiàn)“非常奇怪”。他曾在紐約州布法羅大學(xué)（University at Buffalo）伊娃·祖雷克（Eva Zurek）的實(shí)驗(yàn)室研究鈉電子化合物。他指出，早期理論曾預(yù)測(cè)，在高壓下鈉的外層電子會(huì)在原子之間更加自由地移動(dòng)。

這一認(rèn)知最早的轉(zhuǎn)變，出現(xiàn)在 20 世紀(jì)90 年代末。當(dāng)時(shí)科學(xué)家利用基于量子理論（quantum theory）規(guī)則的計(jì)算機(jī)模擬來建模固體結(jié)構(gòu)。這些規(guī)則定義了電子可能具有的能級(jí)，以及電子在原子中可能出現(xiàn)的位置范圍（即原子軌道）。

對(duì)固態(tài)鈉的模擬表明，在高壓下，隨著鈉原子被壓得更近，圍繞每個(gè)原子的電子也被壓縮在更小空間中。這導(dǎo)致電子之間的排斥力不斷增強(qiáng)。這種變化改變了每個(gè)原子核周圍所有電子的相對(duì)能量，從而導(dǎo)致電子位置的重新組織。

結(jié)果是，電子不再占據(jù)允許其離域并在原子之間自由移動(dòng)的軌道，而是形成新的軌道形態(tài)，迫使電子重新局域化于非核吸引子位點(diǎn)。由于電子被困在這些位點(diǎn)上，固體失去了其金屬性。

在這些理論工作的基礎(chǔ)上，拉喬皮和祖雷克與愛丁堡大學(xué)（University of Edinburgh）的研究人員合作，在極端壓力下尋找鈉電子化合物的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。他們將鈉晶體夾在兩顆金剛石之間進(jìn)行壓縮，并利用 X 射線衍射繪制金屬結(jié)構(gòu)中的電子密度分布。他們?cè)?2025 年 9 月報(bào)告稱，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)確認(rèn)電子確實(shí)位于預(yù)測(cè)的、位于鈉原子之間的非核吸引子位點(diǎn)。

金屬結(jié)構(gòu)的不同模型

這幅圖展示了金屬結(jié)構(gòu)的不同模型。左側(cè)為常溫常壓條件下的結(jié)構(gòu)，每一個(gè)藍(lán)色圓圈代表金屬晶格中的一個(gè)原子，該原子由帶正電的原子核及其周圍的電子組成。電子可以在整個(gè)晶格中自由移動(dòng)，這種狀態(tài)被稱為“電子?！?。早期關(guān)于高壓下金屬的理論認(rèn)為其結(jié)構(gòu)與此類似，只是金屬性更強(qiáng)（右上圖）。然而，較新的模型表明，在某些金屬（例如鈉）中，在高壓條件下結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化（右下圖），轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N電子局域化的體系（深藍(lán)色方框所示），電子分布在離子核（淺藍(lán)色小圓圈）之間——這種結(jié)構(gòu)稱為電子化合物。這種結(jié)構(gòu)賦予材料截然不同的物理性質(zhì)。

電子化合物正是理想的催化材料

電子化合物是理想的催化劑候選材料——催化劑能夠加速化學(xué)反應(yīng)并降低反應(yīng)所需活化能量。這是因?yàn)槲挥诜呛宋游稽c(diǎn)的孤立電子可以被提供出去，從而幫助形成和斷裂化學(xué)鍵。但若要實(shí)際應(yīng)用，這類材料必須能夠在常溫常壓條件下穩(wěn)定存在。

過去 10 年中，人們已發(fā)現(xiàn)若干種在常溫條件下穩(wěn)定的電子化合物，這些材料由無機(jī)化合物或含金屬原子的有機(jī)分子構(gòu)成。其中最重要的一種是“鈣鋁石”（mayenite）。2003 年，東京科學(xué)研究所（Institute of Science Tokyo）的材料科學(xué)家細(xì)野秀雄（Hideo Hosono）在研究一種水泥材料時(shí)意外發(fā)現(xiàn)了它。

鈣鋁石是一種鈣鋁氧化物晶體，其結(jié)構(gòu)中存在非常小的孔隙——直徑僅數(shù)納米——稱為“籠狀結(jié)構(gòu)”，其中包含氧離子。若在高溫下讓鈣或鈦的金屬蒸氣通過該材料，會(huì)將氧去除，留下被困在這些位置上的電子——從而形成電子化合物。

與在高壓下由導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)榻^緣體的金屬電子化合物不同，鈣鋁石起初是絕緣體。但形成電子化合物后其被困的電子可以通過量子隧穿在籠狀位點(diǎn)之間躍遷，使其成為導(dǎo)體——盡管其導(dǎo)電性比鋁或銀等金屬低100到1000倍。同時(shí)，它也成為一種優(yōu)良催化劑，能夠提供電子以幫助化學(xué)鍵的斷裂與形成。

到 2011 年，細(xì)野開始開發(fā)鈣鋁石作為一種更環(huán)保、更高效的氨合成催化劑。目前全球每年通過哈柏-博施工藝生產(chǎn)超過 1.7 億噸氨，主要用于肥料生產(chǎn)。該工藝?yán)媒饘傺趸锎呋瘎诟邷馗邏合麓偈箽錃夂偷獨(dú)獍l(fā)生反應(yīng)。這一過程能耗巨大，成本高昂——全球約 2% 的能源消耗用于哈柏-博施工廠。

在哈柏-博施工藝中，催化劑將氫氣和氮?dú)馕皆诒砻?，并提供電子幫助斷裂氮分子中兩個(gè)氮原子之間的強(qiáng)三鍵，以及氫分子中的化學(xué)鍵。由于鈣鋁石具有強(qiáng)電子供給能力，細(xì)野認(rèn)為它能夠更高效地完成這一過程。

在細(xì)野的體系中，鈣鋁石本身并不直接吸附氣體，而是作為一種金屬——釕（ruthenium）納米顆粒的載體。首先，釕納米顆粒吸附氮?dú)夂蜌錃?。隨后，鈣鋁石向釕提供電子。這些電子流入氮和氫分子，使其鍵更容易斷裂。因此，氨可以在更低溫度（300–400 ℃）和更低壓力（50–80 個(gè)大氣壓）下生成，而傳統(tǒng)哈柏-博施工藝則需要 400–500 ℃ 和100–400 個(gè)大氣壓。

使用由金屬釕與鈣鋁石（穩(wěn)定的電子化合物）組成的催化劑合成氨（NH?）時(shí)提出的反應(yīng)機(jī)理

這幅圖展示了在使用由金屬釕與鈣鋁石（穩(wěn)定的電子化合物）組成的催化劑合成氨（NH?）時(shí)所提出的反應(yīng)機(jī)理。鈣鋁石具有很強(qiáng)的電子供給能力（左圖），這使得氮分子更容易解離，并使氮原子更容易吸附在釕表面。同時(shí)，氫可以儲(chǔ)存在鈣鋁石的籠狀結(jié)構(gòu)中（左下圖），這些籠腔中存在帶負(fù)電的電子。氫可以在不同籠腔之間遷移，并釋放到釕表面與氮發(fā)生反應(yīng)。這些過程提高了氨生成的效率。

2017 年，細(xì)野的催化劑被商業(yè)化，公司 Tsubame BHB 成立。2019 年建成首個(gè)試點(diǎn)工廠，年產(chǎn)氨 20 噸。此后，該公司在日本建立了更大型設(shè)施，并在巴西建設(shè)一座年產(chǎn) 2 萬噸的綠色氨工廠，以替代部分基于化石燃料的肥料生產(chǎn)。公司估計(jì)，這將每年減少 1.1 萬噸二氧化碳排放，相當(dāng)于約 2400 輛汽車的年度排放量。

鈣鋁石催化劑還有其他應(yīng)用，例如以更低能耗將 CO?轉(zhuǎn)化為甲烷、甲醇或更長(zhǎng)鏈烴類化合物。此外，科學(xué)家還提出，其籠狀結(jié)構(gòu)可能適用于核電站中放射性同位素廢物的固化處理：電子可以捕獲碘離子、溴離子等負(fù)離子，并將其困在籠內(nèi)。

鈣鋁石甚至被研究用于低溫衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)。當(dāng)在真空中加熱至 600 ℃ 時(shí)，其被困電子會(huì)從籠狀結(jié)構(gòu)中噴射出來，產(chǎn)生推進(jìn)力。

有機(jī)電子化合物

已知能夠形成電子化合物的材料種類仍在不斷增加。2024 年，英國(guó)萊斯特大學(xué)（University of Leicester）的化學(xué)家法布里齊奧·奧爾圖（Fabrizio Ortu）領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，意外發(fā)現(xiàn)了一種在室溫下穩(wěn)定的電子化合物，該材料由鈣離子和大型有機(jī)分子組成，整體稱為配位絡(luò)合物（coordination complex）。

他使用的是機(jī)械化學(xué)方法——“把物質(zhì)放入研磨罐中，高速震蕩，通過機(jī)械能驅(qū)動(dòng)反應(yīng)?！钡钏@訝的是，加入的鉀提供的電子并未轉(zhuǎn)移到鈣離子上。相反，形成的結(jié)構(gòu)中電子以局域化形式存在于體系中，被困在兩個(gè)金屬之間的位置。

與鈣鋁石不同，這種電子化合物不是導(dǎo)體——其電子不會(huì)跳躍。但它可以通過激活不活潑的化學(xué)鍵來促進(jìn)原本難以啟動(dòng)的反應(yīng)，發(fā)揮類似催化劑的作用。這類反應(yīng)目前通常依賴昂貴的鈀催化劑。

研究人員成功利用這種電子化合物促進(jìn)兩個(gè)吡啶環(huán)的偶聯(lián)反應(yīng)。他們目前正在研究其是否可以促進(jìn)其他常見有機(jī)反應(yīng)，例如在苯環(huán)上進(jìn)行氫原子取代。這種反應(yīng)困難，是因?yàn)楸江h(huán)碳-氫鍵非常穩(wěn)定。

不過仍存在亟待解決的問題：奧爾圖的鈣電子化合物對(duì)空氣和水過于敏感，不適合工業(yè)應(yīng)用。他正在尋找更穩(wěn)定的替代物，這在制藥工業(yè)中可能特別有價(jià)值，因?yàn)樗故镜姆磻?yīng)類型在藥物分子合成中十分常見。

地核中的疑問仍未解答

關(guān)于電子化合物仍有許多未解之謎，包括地球內(nèi)核是否確實(shí)包含這種物質(zhì)。金德永的團(tuán)隊(duì)利用鐵晶格模擬尋找非核吸引子位點(diǎn)的證據(jù)，但其結(jié)果解釋仍“存在一定爭(zhēng)議”。

元素周期表第一主族和第二主族金屬（如鋰、鈣、鎂）具有較松散的外層電子，這使電子更容易轉(zhuǎn)移至非核吸引子位點(diǎn)，從而形成電子化合物。但鐵對(duì)其外層電子的吸引更強(qiáng)，且電子軌道形狀不同，因此在高壓下電子排斥增強(qiáng)效應(yīng)較小，使得形成電子化合物更加困難。

特拉維夫大學(xué)（Tel Aviv University）的計(jì)算材料科學(xué)家李·伯頓（Lee Burton）表示，電子化合物仍然鮮為人知，也缺乏系統(tǒng)研究。目前還沒有理論或模型能夠預(yù)測(cè)何時(shí)材料會(huì)形成電子化合物?！耙?yàn)殡娮踊衔镌诨瘜W(xué)上并不典型，你無法依靠傳統(tǒng)化學(xué)直覺來判斷?！?/p>

伯頓通過篩選 4 萬種已知材料尋找預(yù)測(cè)規(guī)則，并取得了一定成功。他目前正在利用人工智能尋找更多候選材料。他表示：“電子化合物的形成是不同性質(zhì)之間存在復(fù)雜的相互作用德結(jié)果，而且往往彼此關(guān)聯(lián)。這正是機(jī)器學(xué)習(xí)能夠發(fā)揮作用的地方?！?/p>

研究的關(guān)鍵在于擁有可靠數(shù)據(jù)來訓(xùn)練模型。目前實(shí)驗(yàn)確認(rèn)的電子化合物結(jié)構(gòu)數(shù)量仍然有限。伯頓團(tuán)隊(duì)正在利用基于量子理論的電子密度模擬，對(duì)盡可能多的材料進(jìn)行高分辨率計(jì)算。那些得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的材料將用于訓(xùn)練人工智能模型，以識(shí)別更多具有離散高電子密度局域區(qū)域特征的潛在電子化合物。伯頓說，“這種材料的潛力是巨大的?！?br/>

作者：Rachel Brazil

翻譯：Aegon

審校：姬子隰

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本書是對(duì)當(dāng)今天文學(xué)核心研究領(lǐng)域“宇宙學(xué)模擬”的首次科普化解讀。作者羅米爾·戴夫作為該領(lǐng)域的一線開拓者，以親歷者視角回顧了半個(gè)世紀(jì)以來數(shù)值宇宙學(xué)的發(fā)展歷程，揭示了科學(xué)家如何通過在超級(jí)計(jì)算機(jī)中重構(gòu)從大爆炸到星系形成的百億年歷史，建立起連接理論與觀測(cè)的天文學(xué)“第三支柱”，為人類理解宇宙起源與演化開辟新范式。書中首次全景呈現(xiàn)了在計(jì)算機(jī)中創(chuàng)建“虛擬宇宙”的完整技術(shù)路徑，并對(duì)分層模擬、重子循環(huán)、黑洞反饋等領(lǐng)域關(guān)鍵課題進(jìn)行了前瞻精煉的闡釋，凝結(jié)了當(dāng)代天體物理學(xué)的最尖端認(rèn)知。通過本書，讀者將直觀理解：人類對(duì)宇宙的探索，已實(shí)現(xiàn)從觀測(cè)描述到數(shù)字重構(gòu)的根本跨越，標(biāo)志著我們進(jìn)入了一個(gè)能主動(dòng)推演宇宙歷史的科學(xué)新紀(jì)元。

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編輯：姬子隰

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不代表中科院物理所立場(chǎng)