随着新的元价键的提出，人们对键的重新思考

化学学生学到的最基本的事实之一是固态材料中不同类型的化学键:共价键、离子键和金属键，以及诸如氢键之类的稀奇古怪的键。但是，如果最近两篇论文中的一项建议成立，他们很快就需要学习另一类知识:元价键。

根据马提亚Wuttig德国亚琛工业大学(RWTH Aachen University)的研究人员和他的同事们发现，这种键合是在元素周期表的类金属区域内和附近的元素组合中发现的，比如锗、锡和碲化铅。他们说，这类化合物代表了一种独特的材料，在导电性方面与金属有些相似，但与共价化合物一样具有一定程度的电子共享性。伍蒂格和他的同事称它们为早期金属。¹

在像钻石这样的共价固体中，原子通过共价键连接，使所有的电子都成对。在固体物理学家青睐的能带结构图中，这对应于一个充满电子的价带，而在更高能量的空导带，因此没有移动电子，材料不导电。半导体通常具有相同的能带结构，但在价带和导带之间只有很小的能隙。然后一些电子有足够的热能跃入导带。

与此同时，在金属中，最上面的能带只有部分被电子填满，而且它们是可移动的。这可以等效地看作是一个离域电子海中的金属离子晶格。

竞争的极限

在早期金属中，这两个极端的共价和电子配对以及金属电子离域相互竞争。“这些材料具有介于金属和半导体之间的特性，”伍蒂格说。令人惊讶的是，结果不是简单地两者兼而有之，而是另一番景象。

不难看出，这种材料有些奇怪。一方面，原子的近邻比普通共价键所允许的要多，但比典型金属的紧密排列所产生的要少。

一种可能性是，这些配位几何是由共振键产生的，就像石墨中的共振键一样，可以看作是等效共价结构之间的转换。“我们确信这些材料具有共振键，”吴提格说，“我们花了两年时间来证明这一点，但失败了。”

早期金属的另一个特点是，键的断裂方式似乎与共价材料的断裂方式不同，正如伍蒂格和他的同事们早些时候发现的那样，他们使用了一种叫做激光辅助场蒸发的技术，从针状样品的表面去除原子。²

一些新的东西

只有当研究人员自己承认可能会有一些全新的事情发生时，事情才有了头绪。描述像碲化锗这样的早期金属的化学键不像描述共价键或金属键那么容易，但它有几个关键特征。betway必威游戏下载大全例如，化学键是强非调和的。然而共价键可以被描绘成很像弹簧，所以原子在一个谐波势阱中振荡，对于元价键，这些振荡并不简单:就好像弹簧的刚度随着原子的位移而改变。除了非调和性，元价键还具有很强的极化性:电场可以使电子密度朝一个方向或另一个方向摇摆。

初期金属在性质上占据着一个独特的区域，例如，它们形成一个具有中等导电性和高光学介电常数的簇。另一方面，从共价键到金属键的逐渐转变，将有望产生平滑地填补它们之间空隙的材料，而不是这个独特的岛屿。

在固体的二维键合图中，早期金属也划出了自己独特的区域，其中轴表示原子之间转移的电子数(离子键位于极端)和共享的电子数(与共价和共振键化合物在极端)。^3.当将介电常数等物理特性作为第三维度添加到该图中时，这些材料作为其自身类别的地位变得更加明显。

材料化学家约翰Buckeridge伦敦大学学院(University College London)的教授也认为，这类材料“具有特殊的键合特性，不能归类为纯共价、纯金属，也不能归类为两者之间的中间体”。但他不确定是否需要一种新的成键类型来解释这一点——他认为这种特征可能更传统地理解为一种成分上的孤对和另一种成分上的p轨道之间的相互作用。因此，他怀疑这项新工作可能还没有“深入挖掘到基本原理”。

然而，wutig认为他们的分类“将对材料设计有用”。碲化铅和碲化锗等化合物已经被研究了多年，其用途从热电材料(当受到温度梯度时产生电流)到用于记录和数据存储技术的相变材料。乌蒂格说，这些特性可能与这种不寻常的键合直接相关。例如，碲化锗在结晶初期金属和共价非晶材料之间的相变涉及键合类型的质变。因此，了解元价键可能有助于合理设计这类材料。