我们大多数人在高中化学课上了解到，化学键只能在电子从一个原子的外层共享或让给另一个原子时形成。但这可能并非完全正确。一位化学家计算出，在极高压下，不仅外层电子，内层电子也可能形成键。
在原子内部，电子被组织成能级，称为电子层，可以将其视为大小不断增加的桶，每个桶只能容纳固定数量的电子。原子更喜欢装满的桶，因此如果它们的外层只缺少一到两个电子，它们就会急于从可能有备用电子的另一个原子那里借用。但有时，一项新的研究表明，原子可能被激发，不仅共享它们的外层价电子，还共享它们已满的内层电子。“这打破了我们内层电子从不反应，从不进入化学领域的教条，”加州大学圣巴巴拉分校和中国北京计算科学研究中心的化学家苗茂生说。苗使用所谓的从头算计算预测了这种键，这种计算完全依赖于已知的物理定律，并在 9 月 23 日发表在《自然化学》杂志上的一篇论文中报告了他的发现。这种成键尚未在实验室中得到证实。尽管如此，“我非常有信心这是真的，”他说。（《大众科学》是自然出版集团的一部分。）
他的计算表明，在极高的压力下（约 30 吉帕斯卡（高于海底压力，但低于地球中心压力）），铯原子和氟原子之间可能形成两种可能的分子。铯位于元素周期表的最左侧，其外层或第六层中有一个多余的电子。另一方面，氟位于周期表的最右侧，紧邻具有完全充满电子层的惰性气体柱（这就是为什么惰性气体以惰性而闻名——它们几乎没有获得或失去电子的动力），并且外层电子层缺少一个电子。“在正常压力下，铯完全将一个电子交给氟，它们结合在一起，”苗说。“但在高压下，铯内层电子开始与氟形成分子。”
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苗确定了两种化合物，它们可以在非常高的压力下形成并保持稳定：三氟化铯 (CsF3)，其中铯与三个氟原子共享其一个价电子和来自内层的两个电子；以及五氟化铯 (CsF5)，其中铯与五个氟原子共享其价电子和四个内层电子。“这形成了一个非常美丽的分子，像海星一样，”苗说。康奈尔大学名誉教授、未参与计算的化学家罗尔德·霍夫曼说，所得分子的形状及其形成的可能性都“非常令人惊讶”。“这是碱金属不仅失去其单个易电离价电子参与成键，而且还‘突破核心’与多个氟成键的第一个明确案例。”
这些反应可能发生的原因与焓有关——焓是恒压系统总能量的度量。化学反应倾向于向焓较低的产物移动。苗计算了氟化铯（自然形成的两个原子之间基本的一对一键）的焓以及可能化合物三氟化铯和五氟化铯的焓。他发现，在某些压力阈值之上，这些较大的分子具有较低的焓——因此很可能形成。“我们在结构和键合方面看到的几乎所有内容都仅仅是系统寻找方法来最小化势能，平衡能量增益与能量成本的表现，”普渡大学化学家保罗·温特霍尔德说，他没有参与这项研究。“虽然对于像铯这样的物质，通常不期望发生内层电子氧化，但如果你将其置于足够接近具有足够接受电子倾向的物质附近，那么肯定会发生。”
到目前为止，还没有人尝试在实验室中制造这些分子的实验，但苗说这应该是可能的，尽管氟很难处理。必要的压力完全在现代设备的承受范围之内。“对这些系统的实验研究将为校准高压系统理论化学提供绝佳机会，”北伊利诺伊大学化学家李·桑德林说，他也未参与这项研究。“这是一个理论方法指导实验人员选择应表现出前所未有特性的系统的绝佳示例。”既然高中化学的基本规则已被改写，谁知道还会有哪些分子惊喜在等待着我们呢？