深入探讨α-PU的原子结构：技术创新新视角

来自 实验室仪器网

自1940年代初发现钚以来一直引起科学家的关注。这种神秘的元素在核电池和反应堆等新兴能源技术中发挥着重要作用，但它也具有复杂的电子行为，会产生一些有趣的影响。它的电子结构有助于低温下的非常规熵性、熔化前的多次相变以及复杂的键合模式。

尽管科学家们渴望探索这些有趣的特性，但研究钚仍然非常困难。其强大的电子相关性、自旋轨道耦合等复杂的量子效应以及放射性衰变引起的变化使实验研究和计算机模拟都具有挑战性。为了进一步增加复杂性，钚还存在于几种不同的同素异形体中——具有不同原子排列的相同元素的形式。例如，钚的α相（α-Pu）具有特别复杂的原子结构。对于新成立的科学家合作来说，了解这一相的复杂键合似乎是一项值得解决的挑战。

受过去理论工作的激励，研究小组结合了先进的计算机模拟和高精度X射线测量，以更全面地了解原子如何在α-Pu中键合。这导致了同步加速器光源II（NSLS-II）的首次钚实验。该团队与NSLS-II对分布函数（PDF）光束线的首席光束线科学家密切合作。他们的研究发现了多种键合类型，包括共价键的证据，即原子共享电子，这有助于解释α-Pu的一些更大规模的机械性能。他们的结果最近发表在《先进功能材料》上。

更新的技术揭示了新的见解

与更常研究的钚δ相（δ-Pu）的规则、高度对称的晶体结构不同，α相具有更多的结构复杂性。它的原子排列高度扭曲，并表现出广泛的原子键距离。早期的理论表明，α-Pu中可能存在不同强度的化学键，同时在很大程度上排除了共价键。但直到现在，还没有人直接通过实验研究这些键。

在钚领域，研究人员经常对其在核技术应用中的机械性能感兴趣，在钚科学中，你很少能得到这种自下而上的原子理解。再次指出，其他结果表明几乎没有共价键，但这些结果与我们对这种同素异形体的了解的机械性能不一致。

为了研究α-Pu中的原子如何键合，该团队使用了一种称为对分布函数（PDF）分析的技术，该分析可以揭示原子如何在结构中一起移动——这是复杂或无序材料中的重要行为。PDF测量提供了有关局部原子结构的宝贵信息。

他们将这项实验研究与密度泛函理论（DFT）计算相结合，以验证他们的原子模型。DFT通过使用一种专注于电子密度而不是单独跟踪每个电子的简化方法，帮助科学家研究原子尺度上的电子行为。这使研究人员能够以实际的精度和计算效率对复杂的材料和化学系统进行建模。

α-Pu是一个特别棘手的系统。它的结构很复杂，会产生大量信息，这可能会使大规模趋势难以辨别。我们确实将DFT推向了这项工作的极限。

在采用任何这些新实验技术之前，必须在NSLS-II中实施大量规划和协议。除了研究钚的物质挑战之外，还有一些实际挑战。像这样的实验需要数月的准备和几个专业团队的专业知识。

钚是一种稀有且高度监管的材料，很难获得。它还有毒，尤其是作为粉末，并且具有放射性，需要严格的安全措施。为确保实验安全高效地进行，来自实验室辐射控制部门、以及环境、安全、健康和质量计划的专家提供了重要的监督和支持。

首先，对可以带到现场进行研究的材料量有严格的限制，因此该团队只能使用几毫克的宝贵材料。监测的不仅仅是实验中钚的数量。布鲁克海文占了所有特殊核材料，这些材料在实验室范围内受到监管。

在制备过程中，这些小样品被密封在定制的三重密封系统中，旨在确保放射性和X射线透明度。在PDF光束线上，样品被安装在平移台上，以便在整个实验过程中被锁定的铅屏蔽箱后进行测量。棚内的全景摄像机监控为团队提供了实时观察。

一旦实验准备好运行，PDF灵活的设置和高能量范围帮助团队找到了他们所寻求的答案。最近对PDF光束线的许多更新和计划升级使其成为Phelan和他的团队研究这种强大材料的理想工具。他们能够利用光束线的高能量能力穿透厚样品，并且在未来的实验中，他们可以在几分钟内切换到另一种能量。例如，光束线可以容纳在较薄的钚样品上执行小角度X射线散射（SAXS）所需的较低能量。

PDF分析与一种称为反向蒙特卡洛的基于计算机的建模方法相结合。这些模拟帮助团队确定了原子一起移动的方式的模式。他们发现α-Pu中的原子以紧密相连的基团移动，暗示存在大量的共价键。

科学家们利用DFT计算进一步分析了电荷分布和键合结构，证实了他们的实验观察结果。他们的分析表明，α-Pu具有多种键合类型：短键表现出定向、类似共价的特征，而较长的键则更具金属性。这种混合键合景观符合α-Pu结构是由Peierls畸变塑造的理论，即当材料稍微改变其原子的位置以降低其整体能量时。共价键的存在有助于解释为什么观察到α-Pu的行为更像是脆性固体而不是可延展金属。

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