南开大学科研人员发现在压力下元素的变化趋势

门捷列夫的元素周期律揭示了元素之间的规律与特性，是长期以来化学学科最重要的基础知识。南开大学物理科学学院董校副教授课题组和俄罗斯skoltech研究院Artem R.Oganov教授课题组及其他合作者发现，随着压力增加，各元素间的电负性和化学硬度排序会出现显著改变，进而导致各元素间化学性质的重新排列，相关研究论文近期将发表在《美国科学院院刊》。

数十年来，人们一直认为电负性和化学硬度是元素的固有性质，不随外界条件的改变而改变。董校及科研团队在前人研究的基础上，利用第一性原理计算，结合组内开发的“带电氦矩阵”方法，揭示了氢到锔之前96种元素在500GPa以内的电负性和化学硬度随压力的变化趋势。其研究表明，压力会显著地改变元素的电负性和化学硬度。与前人理解的不同，压力会改变元素化学势和电荷间的函数关系，从而改变元素的化学性质。

董校及其科研团队具体介绍了三个方面的元素性质的变化。一是压力会普遍降低各个元素的化学硬度，从而导致高压下整个元素周期表向金属性偏移，使得更多的元素表现出金属特性，如金属化现象、聚合现象等。而常压下的典型非金属元素如碳、氮、氧等会出现性质移动，如氮在高压下取代了碳变为最容易形成复杂化合物的元素，在100GPa至200GPa，氮的电负性和化学硬度与常压碳非常相似，可以形成大量的环状、链状和空间骨架的复杂结构，有望构建起高压诱导的“氮基”有机化学。二是100GPa以上，压力可以模糊长周期间的界限，如Cs的6s、5d和5p轨道间的能隙会显著减小，从而使Cs表现出一定的p区元素特性。三是电子轨道发生重排，高角动量电子因其具有更少的节点而在高压下焓值显著降低，进而改变了原有的轨道交错规律，具体表现为p或d轨道能量降低，电子更倾向于占据p或d轨道，从而进一步引起其性质改变。这些研究结果可以解释大量已发表的理论预测和实验现象，并预测高压下的化合物形成规律，为设计高压下新型化合物构筑了理论基础。