有趣的f元素

大卫·米尔斯比如制造理论上没有存在权利的化合物。他的团队合成了具有不寻常氧化态、不寻常几何形状和不寻常键基的化合物。大多数时候，这些化合物的特征是元素周期表中的f区元素。

“我们制造的化合物对空气和水分都很敏感。有时它们对光线和温度也很敏感，”自豪的威尔士人米尔斯解释道。f元素是高度亲氧的，喜欢高配位数和离子键体系。米尔斯的研究小组倾向于把不饱和配位化合物和含有比氧更软的原子的化合物作为目标，这使得它们特别难以处理。“巨大的电负性差异意味着你必须用你的施伦克线和手套盒技术来点化i，交叉t……我认为有时我们的合作者希望我们的化合物表现得更好。”但就我们而言，这是乐趣的一部分。”

作为一个领域，f元素化学不如s-， d-和p-区块发达。米尔斯说:“我们的理解还不成熟，但这意味着这个领域还有很多东西有待发现。”他说，之前有很多假设。但在过去的几十年里，化学家们挑战了这些假设，做了一些人们认为不可能的事情。“例如，25年前的教科书会说，所有的镧系元素在溶液中的氧化态都是+3，除了铈可以是+4，钐、铕和镱可以是+2。”就是这样。但在过去的20年里，每一种镧系元素——除了钷，因为它的放射性很强，所以你无法得到足够的量来进行反应——都是以+2氧化态被分离出来的。化学家已经真正打开了什么是可以实现的，”他说。

“扩大一种元素的氧化态范围可以帮助你更多地了解它的基本性质。如果你能拓宽氧化态的范围，那么你就进入了过渡金属化学的领域，它们为催化过程做了非常漂亮的双电子氧化加成和还原消除。因此，扩展任何元素的氧化还原化学反应都可以用于未来的应用。”

我认为有时候我们的合作者希望我们的化合物表现得更好

米尔斯的许多研究试图影响f元素的光学和磁性能。“利用它们的非水化学性质，你可以做的有趣的事情之一就是让它们形成特定的形状。例如，如果你能制造出一种镝化合物，上面有原子，下面有原子，赤道附近没有原子，这就能制造出最好的单分子磁铁。但要制造出配位数足够低、不含赤道原子的f元素成分是非常困难的，因为它的成键具有很强的静电性，它是如此离子化，它试图与尽可能多的原子成键，所以你必须在配体设计和合成方法上付出很大努力，才能阻止这种情况发生。”

镝和数据

早在2017年，米尔斯和他的同事们就合成了一种复合物，其特征是两个芳香环之间夹着一个镝原子。¹这种复合物被称为镝，在零下213°C时仍保持磁性，这比以前的努力要温暖得多使单分子磁铁更接近于用于数据存储．

四年后，镝阳离子仍然是具有最高磁滞温度的单分子磁体家族。“自从这一发现以来，我们和其他人已经有了不同的取代基，我们已经制造了一个更大的相似分子家族，结构类似的化合物，并使用了其他镧系元素。”但米尔斯强调，他的团队的工作不仅仅是制造特定的化合物。他们还设计出富有想象力的合成方法，供其他研究人员使用。

单分子磁铁的工作见证了米尔斯成为一个化学决赛在2021年英国布拉瓦尼克青年科学家奖中，他获得了3万美元(2.2万英镑)的无限制奖金。他说，这是一个来自团队努力的奖项。我将尽可能多地把钱花在那些一路帮助过我的人身上:我的团队、合作者、导师、家人和朋友。我想把这些钱花在能和彼此相处的活动上。”

米尔斯非常热情地谈到他的研究小组。“我们使用比尔和泰德电影中的座右铭，那就是‘对彼此优秀’。你不需要一套规则——它涵盖了一切。我们互相尊重，让人们有宾至如归的感觉。我希望我的小组成员尽自己最大的努力，但也要把自己的研究活动与同事的研究活动同等重视。保持一个积极、专业和无私的研究环境对我来说很重要。

米尔斯承认:“像任何化学家一样，我不是一个训练有素的经理。”尽管如此，他在2020年获得了学生会最佳学术指导奖。“本科生们会提名我的。这也是我非常高兴的原因之一。我(在建议方面)不是专家。但我很乐意花时间和学生们在一起，了解他们想要达到的目标，看看我能不能帮上什么忙。”