一位博士生提出的一项实验可能会重写化学教科书

当扬·麦克马伦开始选修化学研究生课程时，他从未听说过南加州大学多恩西夫文理学院(USC Dornsife College of Letters，Arts and Science)。但在他的一位教授的推荐下，他给学院的化学教授斯蒂芬·布拉德福斯发了一封电子邮件，提议进行一项实验，以梳理出是什么使金属真正成为金属。这项提议不仅会成为他的博士论文，而且是一项重大的科学突破。

麦克马伦的提议并不容易说服。这项实验将是昂贵的，而且可能是危险的。

麦克马伦在其他美国研究型大学联系的学者告诉他，他们有资金用于自己的研究，但没有资助他的研究。但布拉德福斯有不同的反应。

他说，我没有资金支持你的想法，但如果你过来，我们可以一起写一份资助提案，麦克马伦说，当时他正在英国布里斯托尔大学完成本科学业。

布拉德福斯不仅帮助麦克马伦获得了资金，将其作为国家科学基金会(National Science Foundation)支持的优先事项，而不是继续进行其他项目，而且他还拼凑了一个国际科学家团队，并安排了自己的休假来监督和参与主要实验。他还成为麦克马伦的博士导师。

布拉德福斯重新配置了他的实验室，以保护其科学家。实验所需的，可能有轻微毒性；碱性金属，如果接触水就会爆炸。

布拉德福斯指出，正因为如此，我的实验室看起来不一样了，他也是自然科学和数学系的院长。

努力是非常值得的，结果是值得的。布拉德福斯说，这项实验揭示了教科书中的那些东西，或者至少改变了教科书的编写方式，并指出了这项工作潜在的历史重要性。它还将赢得令人垂涎的荣誉，成为6月5日“科学”杂志的封面。

该项目着眼于一个基本问题：哪些属性是金属固有的，哪些是附带的？

直觉表明，金属是致密的，虽然这对一些人来说是正确的(比如黄金或铅)，但对另一些人来说，这是站不住脚的。例如，锂-通常用于电池-漂浮在水面上。有些金属是硬的，如钛，但另一些金属很容易屈服于压力，包括铟和铝。熔化温度呢？铂在超过1700摄氏度(3200华氏度)的温度下熔化，但汞是一种远低于零的液体。

金属罩的许多其他定义也遭遇了类似的矛盾，但只有金属才能导电。与密度或硬度不同，导电是所有金属的固有属性。

为了进一步了解金属的内在性质，布拉德福斯、麦克马伦和他们的同事使用了化学家汉弗莱·戴维爵士在1809年首次注意到的一种技巧。从本质上说，他们是从零开始制造金属的。

科学家们将氨-通常是室温下的气体-冷却到零下33摄氏度进行液化，然后在单独的实验中添加碱金属锂、钠和钾。

在这些溶液中，碱金属中的电子最初会被困在氨分子之间的缝隙中。这就产生了科学家们所说的溶剂化电子，这些电子在氨水中非常活跃，但却很稳定。这些溶液具有特有的蓝色。但是，如果有足够的溶剂化电子，整个液体就会变成青铜，本质上，在保持液体的同时变成金属。

溶剂化电子已被证明对有机化学家很重要。通过一种以化学家亚瑟·伯奇的名字命名的被称为白桦还原的反应，它们是合成许多重要化合物的关键，并导致了20世纪50年代口服避孕药的制造。

接下来，科学家们使用位于柏林的极其明亮和聚焦的X射线束测量了将溶剂化电子从金属氨中撞击出来所需的能量。

在第一次实验中，他们迫使不同浓度的金属氨通过微射流，微射流产生了一股大约人类头发宽度的气流，然后通过一束毛发般细的X射线束。

结果表明，在低浓度下，溶剂化电子更容易通过与X射线的相互作用从溶液中移位，给出了简单的能量模式。然而，在较高的浓度下，能量模式突然形成了一个尖锐的带状边缘，表明溶液的行为如愿以偿。

虽然这一结果的实际意义还需要进一步研究，但该实验确实为化学家合成重要有机化合物打开了一扇新的窗口。就像白桦减量导致口服避孕药一样，这项实验也可能导致新的化合物以无数种方式使用。

麦克马伦是泽西州(欧洲的原产地，而不是邻近的纽约州)的本地人，他计划在几周内回到他在南加州大学多恩西夫的实验室。但他并没有让新冠肺炎的大流行拖慢他的脚步。他一直对电子产品的工作原理很好奇，一直在加州长滩的公寓里用他在e-Bay上购买的元件进行实验-当然是安全的。

完成博士学位后，麦克马伦是家里第一个上大学的人，他计划攻读博士后奖学金，尽管他不确定自己将专注于哪里或什么领域。然而，他确实知道他想留在学术界。无论他到达哪里，几乎可以肯定的是，化学界将再次听到他的消息。

我喜欢做异国情调的事情。更多信息：蒂尔曼·巴特萨克等人。碱金属-氨微射流的光电子能谱：从蓝色电解液到青铜金属，科学(2020)。doi：10.1126/cience.aaz7607