門捷列夫的元素周期律揭示了元素之間的規(guī)律與特性，是長期以來化學(xué)學(xué)科最重要的基礎(chǔ)知識。南開大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院董校副教授課題組和俄羅斯skoltech研究院Artem R.Oganov教授課題組及其他合作者發(fā)現(xiàn)，隨著壓力增加，各元素間的電負(fù)性和化學(xué)硬度排序會出現(xiàn)顯著改變，進(jìn)而導(dǎo)致各元素間化學(xué)性質(zhì)的重新排列，相關(guān)研究論文近期將發(fā)表在《美國科學(xué)院院刊》。

數(shù)十年來，人們一直認(rèn)為電負(fù)性和化學(xué)硬度是元素的固有性質(zhì)，不隨外界條件的改變而改變。董校及科研團(tuán)隊在前人研究的基礎(chǔ)上，利用第一性原理計算，結(jié)合組內(nèi)開發(fā)的“帶電氦矩陣”方法，揭示了氫到鋦之前96種元素在500GPa以內(nèi)的電負(fù)性和化學(xué)硬度隨壓力的變化趨勢。其研究表明，壓力會顯著地改變元素的電負(fù)性和化學(xué)硬度。與前人理解的不同，壓力會改變元素化學(xué)勢和電荷間的函數(shù)關(guān)系，從而改變元素的化學(xué)性質(zhì)。

董校及其科研團(tuán)隊具體介紹了三個方面的元素性質(zhì)的變化。一是壓力會普遍降低各個元素的化學(xué)硬度，從而導(dǎo)致高壓下整個元素周期表向金屬性偏移，使得更多的元素表現(xiàn)出金屬特性，如金屬化現(xiàn)象、聚合現(xiàn)象等。而常壓下的典型非金屬元素如碳、氮、氧等會出現(xiàn)性質(zhì)移動，如氮在高壓下取代了碳變?yōu)樽钊菀仔纬蓮?fù)雜化合物的元素，在100GPa至200GPa，氮的電負(fù)性和化學(xué)硬度與常壓碳非常相似，可以形成大量的環(huán)狀、鏈狀和空間骨架的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，有望構(gòu)建起高壓誘導(dǎo)的“氮基”有機(jī)化學(xué)。二是100GPa以上，壓力可以模糊長周期間的界限，如Cs的6s、5d和5p軌道間的能隙會顯著減小，從而使Cs表現(xiàn)出一定的p區(qū)元素特性。三是電子軌道發(fā)生重排，高角動量電子因其具有更少的節(jié)點(diǎn)而在高壓下焓值顯著降低，進(jìn)而改變了原有的軌道交錯規(guī)律，具體表現(xiàn)為p或d軌道能量降低，電子更傾向于占據(jù)p或d軌道，從而進(jìn)一步引起其性質(zhì)改變。這些研究結(jié)果可以解釋大量已發(fā)表的理論預(yù)測和實驗現(xiàn)象，并預(yù)測高壓下的化合物形成規(guī)律，為設(shè)計高壓下新型化合物構(gòu)筑了理論基礎(chǔ)。