我們大多數人在高中化學課上了解到，化學鍵只能在電子從一個原子的外層共享或讓給另一個原子時形成。但這可能並非完全正確。一位化學家計算出，在極高壓下，不僅外層電子，內層電子也可能形成鍵。
在原子內部，電子被組織成能級，稱為電子層，可以將其視為大小不斷增加的桶，每個桶只能容納固定數量的電子。原子更喜歡裝滿的桶，因此如果它們的外層只缺少一到兩個電子，它們就會急於從可能有備用電子的另一個原子那裡借用。但有時，一項新的研究表明，原子可能被激發，不僅共享它們的外層價電子，還共享它們已滿的內層電子。“這打破了我們內層電子從不反應，從不進入化學領域的教條，”加州大學聖巴巴拉分校和中國北京計算科學研究中心的化學家苗茂生說。苗使用所謂的從頭算計算預測了這種鍵，這種計算完全依賴於已知的物理定律，並在 9 月 23 日發表在《自然化學》雜誌上的一篇論文中報告了他的發現。這種成鍵尚未在實驗室中得到證實。儘管如此，“我非常有信心這是真的，”他說。（《大眾科學》是自然出版集團的一部分。）
他的計算表明，在極高的壓力下（約 30 吉帕斯卡（高於海底壓力，但低於地球中心壓力）），銫原子和氟原子之間可能形成兩種可能的分子。銫位於元素週期表的最左側，其外層或第六層中有一個多餘的電子。另一方面，氟位於週期表的最右側，緊鄰具有完全充滿電子層的惰性氣體柱（這就是為什麼惰性氣體以惰性而聞名——它們幾乎沒有獲得或失去電子的動力），並且外層電子層缺少一個電子。“在正常壓力下，銫完全將一個電子交給氟，它們結合在一起，”苗說。“但在高壓下，銫內層電子開始與氟形成分子。”
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苗確定了兩種化合物，它們可以在非常高的壓力下形成並保持穩定：三氟化銫 (CsF3)，其中銫與三個氟原子共享其一個價電子和來自內層的兩個電子；以及五氟化銫 (CsF5)，其中銫與五個氟原子共享其價電子和四個內層電子。“這形成了一個非常美麗的分子，像海星一樣，”苗說。康奈爾大學名譽教授、未參與計算的化學家羅爾德·霍夫曼說，所得分子的形狀及其形成的可能性都“非常令人驚訝”。“這是鹼金屬不僅失去其單個易電離價電子參與成鍵，而且還‘突破核心’與多個氟成鍵的第一個明確案例。”
這些反應可能發生的原因與焓有關——焓是恆壓系統總能量的度量。化學反應傾向於向焓較低的產物移動。苗計算了氟化銫（自然形成的兩個原子之間基本的一對一鍵）的焓以及可能化合物三氟化銫和五氟化銫的焓。他發現，在某些壓力閾值之上，這些較大的分子具有較低的焓——因此很可能形成。“我們在結構和鍵合方面看到的幾乎所有內容都僅僅是系統尋找方法來最小化勢能，平衡能量增益與能量成本的表現，”普渡大學化學家保羅·溫特霍爾德說，他沒有參與這項研究。“雖然對於像銫這樣的物質，通常不期望發生內層電子氧化，但如果你將其置於足夠接近具有足夠接受電子傾向的物質附近，那麼肯定會發生。”
到目前為止，還沒有人嘗試在實驗室中製造這些分子的實驗，但苗說這應該是可能的，儘管氟很難處理。必要的壓力完全在現代裝置的承受範圍之內。“對這些系統的實驗研究將為校準高壓系統理論化學提供絕佳機會，”北伊利諾伊大學化學家李·桑德林說，他也未參與這項研究。“這是一個理論方法指導實驗人員選擇應表現出前所未有特性的系統的絕佳示例。”既然高中化學的基本規則已被改寫，誰知道還會有哪些分子驚喜在等待著我們呢？