科学家把铽装进“分子笼” 首次在常温常压下稳定住罕见的正四价状态

这项突破可能为稀土分离开辟新思路，并推动从量子计算到先进传感器等一系列技术的发展。

铽通常与其他镧系元素一样，偏好正三价氧化态。氧化态反映的是一个原子在形式上失去或获得多少电子，而要把铽从正三价变为正四价，就需要去掉一个电子。正三价是铽最稳定、研究也最充分的状态，它在其他价态下的行为则鲜有探索。“你可以迫使它交出或接受一个电子，”爱荷华大学化学系助理教授科里·卡特解释说，“但这在能量上通常是不利的。”

卡特与同系副教授佩雷·米罗共同领导了这项研究。团队构建了一种由钨和氧组成的分子组装体，称为多金属氧酸盐，并加入被称为配体的结合剂。由此形成的笼状结构把铽固定在原位，研究人员则在此基础上改变它的化学性质。当铽原子被夹在这些“笼子”里之后，化学家加入了一种名为过硫酸钾的化学氧化剂。反应从铽原子上去掉一个电子，改变其电荷，使其进入正四价氧化态。团队成功分离出这种不寻常的形态，并对其进行了详细描述。

“镧系元素的一个难点在于它们偏好相同的氧化态，要改变这种状态、进而把其中一种与另一种分离开来并不容易，除非在实验室这样严格控制的环境中进行，”作为论文共同通讯作者的卡特说，“但我们设计出一种方法，通过改变铽的氧化态来分离它，而且不需要专门的实验室控制条件。”据卡特介绍，此前的研究者曾在严格的無氧环境中制备出正四价铽。而爱荷华团队是在常规环境条件下完成工作的，对温度、湿度或压力都没有特殊控制。“如果你在家里搭一套化学实验装置，那就和我们实验室里做的事情差不多，”他说。

这种银灰色金属主要在中国开采，美国和其他少数国家也有产出。它已支撑起相当广泛的技术应用：铽是电视机、荧光灯和LED显示屏中产生光线的绿色荧光粉的核心成分，在固态器件和燃料电池中也扮演关键角色。它还提升了医用X射线的安全性，使同样的成像质量可以在短得多的曝光时间下实现。

新方法为可能更简便、成本更低的铽分离提供了概念验证，其中的经验或许还能用于分离其他镧系元素。让这些较为陌生的化学状态变得更容易获得，也有助于研究人员探究与量子技术相关的性质——量子技术正是利用原子及更小微粒的反常行为。潜在应用包括计算，以及用于导航、医学成像等领域的先进传感器。

卡特的研究团队现在希望把从铽身上学到的东西应用到锕系元素上，这是一类放射性极强的元素，其成员被用于抗癌治疗、为植入体内的心脏起搏器供电，以及烟雾探测器。“我们的发现凸显了在爱荷华大学开展变革性研究的能力，也为把这类化学拓展到锕系元素系列、在爱荷华大学放射化学实验室继续推进提供了平台，”卡特说。

相关论文《一种Tb(IV)多金属氧酸盐的结构与光谱表征》由普里马迪·J·苏宾托罗、布雷特·洛特斯、费利佩·A·佩雷罗、诺尔文·马修、亚历山大·M·布朗、S·吉纳维芙·杜根、莫妮卡·S·马利斯、阿尔多·M·乔丹、卡桑德拉·盖茨、塞缪尔·M·格里尔、乔舒亚·J·伍兹、丽贝卡·J·阿伯格、珍妮弗·C·谢弗、丹尼尔·K·昂鲁、佩雷·米罗、本杰明·W·斯坦、珍妮弗·N·瓦克、斯托什·A·科齐莫尔和科里·P·卡特共同完成，于2026年7月16日发表在《自然·通讯》上，DOI为10.1038/s41467-026-75657-7。该研究由美国能源部资助。