在开放金属位点预测强 Cu(I)–He 相互作用，从而实现氦同位素选择性吸附

驯服最难以接触的气体的新途径

氦以几乎不与任何物质发生化学反应而著称，但它对于磁共振成像（MRI）扫描仪、先进电子器件和前沿物理研究至关重要。一种稀有同位素氦‑3极为稀缺且价值高昂，全球正积极寻找更好的方法将其从常见的氦‑4中分离出来。本文揭示某些基于铜的材料能比预期更强烈地抓住氦，这为在现有技术难以达到的温度下更实用地回收氦‑3开辟了新途径。

氦‑3为何如此重要

天然氦中氦‑3只占百万分几，但在极低温下表现出的非凡量子行为赋予它独特用途。它用于冷却医疗扫描仪中的强磁体，支持工业中的灵敏泄漏检测，并在低温物理实验中是常用工具。它也是先进聚变反应堆的潜在燃料，聚变产生带电粒子而非有害中子辐射，可望带来更清洁的能量。目前，大部分氦‑3仍来自核储备中氚的衰变，且将其与氦‑4分离通常需要接近绝对零度的几开尔文温度。稀缺性、高需求与昂贵工艺的结合使任何新的分离方法都极具吸引力。

发现意想不到的键合

传统观点认为氦几乎不粘附任何物质，因为其电子被束缚得很紧、难以极化。作者通过研究简单簇模型对这一观点提出质疑：在这些模型中，处于+1氧化态的铜离子 Cu(I) 被不同的配体或分子环绕，然后一个氦原子靠近。利用高水平的量子化学计算，他们发现当铜与合适的带负电配体（如氟化物或羟基）配对时，氦原子能出人意料地强烈吸附——高达约19千焦/摩尔，远大于典型惰性气体对之间的微弱相互作用。电子密度分析显示，氦被极化，甚至向铜捐出极小部分电子，形成一种部分静电且略带共价成分的键合。

从简单簇到实际材料

基于这一洞见，团队寻找具有未充分配位的 Cu(I) 位点的实际材料——即仅与两到三个邻近原子相连、因此相对暴露的铜原子。他们研究了分子“冠醚”环、沸石（多孔铝硅酸盐矿物）片段和金属有机框架（MOF，金属节点与有机连接体组成的晶体网络）。通过将一种高效但准确的量子方法与专门处理氦核量子运动的方式相结合，他们估算了氦在每种环境中的吸附强度以及氦‑3 与氦‑4 之间的吸附差异。许多情况下，氦仍然比预期更易吸附，尤其是在铜中心为两配位且呈弯曲几何时，这种构型为氦靠近提供了空间。

利用微妙的量子差异

实现同位素分离的关键不仅在于氦的吸附强度，还在于轻的氦‑3 与重的氦‑4 在零点运动上的差异。即使在低温下，每个原子在其束缚势阱中也有振动。由于氦‑3 更轻，零点能更高，能探索略大范围的空间，这会有效削弱其与吸附位的结合能。作者通过沿铜—氦键绘制能量面并数值求解相应的薛定谔方程来仔细计算这些量子效应。他们表明，强 Cu–He 相互作用会放大零点能的差异，从而产生足够大的同位素选择性，其分离因子在相同温度下明显高于现有技术。

适合更冷但实用运行的有前景铜框架

在测试的多种材料中，某些沸石模型，尤其是基于铜‑氯化物构件（已在晶体 WOLRIZ 中被报道）的一种 MOF 最为突出。在该 MOF 中，两配位且呈弯曲构型的 Cu(I) 位点以约 4 到 6 千焦/摩尔的结合能吸附氦——对氦来说算是强，但又不至于无法释放。在液氢沸点 20 开尔文下，计算得到的氦‑4 对比氦‑3 的分离因子接近三，明显优于现有方法在相同温度下能达到的类似或更小效应。研究表明，进一步调节铜的化学环境或探索具有类似行为的其他金属，可能会得到更佳候选材料。

这对氦及更广泛领域的意义

通俗地说，作者表明这位“最尊贵”的气体并非像看上去那样完全冷漠：当它遇到合适类型的暴露铜位点时，氦能够形成出人意料的亲密结合。这种比预期更强的吸引力自然会因两种同位素间微妙的量子差异而偏好其中一种，从而有望在寒冷但技术上可控的温度下实现更高效的氦‑3 回收。除实用意义外，这项工作推翻了关于氦惰性长期存在的假设，并鼓励化学家以更富创造性的方式思考如何对这一曾被视为几乎不可触及的气体“做化学”。

引用: Dongmo, E.G., Das, S., Moncada, F. et al. Prediction of strong Cu(I)–He interaction at open metal sites enables isotope-selective helium adsorption. Nat Commun 17, 2952 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70901-6

关键词: 氦同位素分离, 铜吸附位点, 金属有机框架, 核量子效应, 多孔材料