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在化學教科書和字典中，都附有一張“元素週期表”，這張表揭示了物質世界的秘密。站在前人偉大化學家的肩膀上，近100年來人們通過不斷挖掘並擴展對於化學元素的認識和應用，推動了化學、化工、新材料、生物醫藥等眾多學科的飛速發展。有關於化學元素週期表的基礎理論認知，每前進一小步，都彌足珍貴。今天上午揭曉的一項2018年度國家自然科學獎二等獎，來自復旦大學周鳴飛團隊的“瞬態新奇分子的光譜、成鍵和反應研究”，就是這般珍貴。
前進“一小步”
氧化態是化學中常用的基本概念之一，亦是門捷列夫發現元素週期律的重要基礎。它是元素的固有性質，能夠反映元素在化合物及反應過程中得失電子的能力。100多年來，實驗已知所有化學元素最高氧化態為+Ⅷ價。這也體現在初學化學的初中生們，都要喃喃背誦的化合價口訣表中，“一二銅，二三鐵，亞銅亞鐵為低價……”。如今，四氧化銥正離子很可能將之改寫。
儘管具有9個價電子的過渡金屬元素銥（Ir）曾被推測最有可能存在高於+Ⅷ價的氧化態，一直以來，實驗已知含銥化合物中銥的最高價態卻僅為+Ⅶ價。確認銥元素亦可以如釕、鋨和氙一般形成穩定的+Ⅷ價態化合物，是周鳴飛等項目研究者的探索起點。
採用脈衝激光濺射方法產生金屬銥原子並和氧氣分子反應，研究者們在實驗中獲得了中性四氧化銥分子，看到銥處於+Ⅷ氧化態。在此基礎上，項目組利用自主發展建立的高靈敏紅外光解離光譜實驗裝置，證實了氣相四氧化銥正離子具有正四面體構型，其中銥處於+Ⅸ價態。從+Ⅷ價態到+Ⅸ價態，化學元素最高氧化態被刷新，令該項研究在2014年10月順利發表於《自然》（Nature）雜誌。美國化學會《化學與工程新聞》雜誌亦將之評為2014年度十大化學研究。
“這一發現為許多工業化學反應開闢了新的可能性，更新了成鍵規則，改變了教科書的內容。”《科學新聞》雜誌曾如此評論該項目中發現銥元素+Ⅸ氧化態的研究工作。據周鳴飛介紹，穩定的高氧化態化合物時常被用作工業反應中的氧化劑和催化劑。若能夠找到+Ⅸ價銥化合物離子的宏觀合成方法，一些重要的氧化和催化反應應用或有望得到開發。
基礎研究不再“冷”
2014年的科研發現，今天才獲獎？其實，科學研究的每一項成果就是要經歷五年、十年甚至幾十年的淬鍊。而有關於化學元素價態突破的基礎研究，周鳴飛從2000年就已經開始。漫長的科研時光中，他發表的論文並不很多，申請的獎項也有限，主要精力都用在坐好基礎化學研究的“冷板凳”上，就連實驗儀器都是團隊自己動手搭建。
從大學開始學化學，到碩士、博士、博士後一路研究化學，後來成為大學教授至今，周鳴飛從沒離開過“基礎”二字，實驗室一直是他最喜歡的地方。別人眼中，寢室、食堂、實驗室枯燥無聊的“三點一線”，在他心中卻成了快樂的源泉。
“國家近幾年對於基礎科研的持續投入，讓我們這些科研人員更可以心無旁騖搞研究，不用操心跑項目，拉經費。”周鳴飛坦言，國內的科研環境越來越好，基礎科研投入越來越大且持續穩定，甚至優於美國或者西方發達國家，讓基礎研究的板凳不再“冷”。2017年，他的研究團隊加入了由中科院大連化物所楊學明院士領銜的國家自然科學基金委科學中心項目，在未來十年範圍內，將會獲得穩定的科研支持。
去年，復旦大學化學系教授周鳴飛課題組又傳出好消息，實驗發現主族的鹼土金屬元素鈣、鍶和鋇可以形成穩定的18電子八羰基化合物，表現出了典型的過渡金屬成鍵特性。該發現表明鹼土金屬元素或具有與一般認知相比更為豐富的化學性質，而主族元素與過渡金屬元素之間的界限，亦較元素週期表的簡晰劃分更為曖昧。這一發現很可能再次突破人們對化學週期表的傳統認知。
新民晚報記者 馬亞寧
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