化學家發現一些原子以令人驚訝的方式結合在一起，完全偏離了傳統化學鍵的定義。
翻開任何一本化學教科書，你都會發現，其中少不了對化學鍵的介紹。這是不用奇怪的。化學是一門研究化學反應的學科，而化學反應的本質是化學鍵的斷裂和生成。是以，化學鍵可謂化學作為一門獨立學科的“立命之本”。
化學鍵是原子的最外層電子通過轉移或共享而形成的“紐帶”；就好比一對夫妻通過婚姻組成一個家庭，通過這個紐帶，它們彼此束縛在一起。可是令人驚訝的是，盡管距今化學鍵概念的提出已有一個半世紀了，但是我們對它遠遠沒有徹底了解。譬如，傳統的化學鍵隻有離子鍵、共價鍵、金屬鍵等幾種類型；但是最近的發現表明，化學鍵的類型比我們想象的要多；而且一些熟悉的化學鍵可能與我們原先想象的不太一樣；甚至有一些鍵，完全違背了化學鍵的正統觀念，根本就不涉及電子。
這些新型的化學鍵不僅能讓我們更好地了解現有的物質，而且還能幫助我們挖掘化學元素的潛力，為太陽能電池、藥物、資料存儲和更多其他應用提供一個全新的材料世界。
化學鍵簡史
早在1860年代初，化學家們已經開始以短橫線連接配接元素符号的格式來書寫化學物質的名稱。例如，H-H表示由兩個氫原子組成的氫氣分子H。到1866年，英國化學家愛德華·弗蘭克蘭德發明了“鍵（bond）”這個術語，來描述由這些短橫線所代表的關系。
那個時候，人們對原子是否真的存在都還有争議。誰也沒去設想我們今天熟悉的這幅“一群核外電子圍繞一個原子核運動”的原子圖景。共價鍵的概念，即兩個原子通過共享電子來成鍵的想法，是在20世紀初才被首次提出來的。直到1920年代，量子理論才告訴人們這種情況是怎麼發生的：原子們總是傾向于尋求處于能量最低的狀态，而共享電子可以使兩個原子的集體能量低于它們單獨時各自擁有的能量之和。
我們今天對化學鍵的了解主要歸功于諾貝爾獎得主美國化學家萊納斯·鮑林。除了解釋了共價鍵的成因，鮑林還表明，在某些情況，電子從一個原子轉移到另一個原子上，使前者帶正電，後者帶負電，兩者以靜電吸引的方式粘在一起，形成離子鍵。然後還有金屬鍵：其中一些電子從它們的原子中分離出來，形成自由的“電子膠”，失去了外層電子的金屬原子成為正離子，嵌鑲在“電子膠”中，并依靠與這些電子的靜電作用而互相結合。
所有這些化學鍵要麼共享電子，要麼轉移電子。但即使在那時，這種簡單的分類也已經心餘力绌。以範德瓦爾斯力為例。它可以使分子或原子互相粘連，但不會形成正常的化學鍵。範德瓦爾斯力幫助像氦氣和氩氣這樣的惰性氣體在非常低的溫度下液化。有時它也足夠強，可以将原子拴在一個集體中，例如兩個氧分子（O）通過範德瓦爾斯力形成一個O原子團。但範德瓦爾斯力算不算化學鍵呢？沒有人能給出一個明确的答案，因為對于化學鍵的含義，從來沒有達成一個共識。
考慮到化學鍵的概念演化至今，越來越模糊不清，在本文中我們把凡是有助于分子、原子結合在一起的“紐帶”，一律稱為“化學鍵”。那麼，下面要介紹的，就是除範德瓦爾斯力外的另四種另類“化學鍵”。
一、似驢似馬的元價鍵
原子可以以局部的方式共享電子，如共價鍵；也可以以全體的方式共享電子，如金屬鍵；但不可能同時兼兩者吧。是以傳統上，共價鍵和金屬鍵被認為是不能相容的。
但事情也許沒那麼簡單。2019年，科學家發現一整類新材料，它們中的化學鍵似驢似馬：既像共價鍵又像金屬鍵。這類材料通常由來自金屬和非金屬交界處的類金屬元素（如碲和鍺）以及位于元素周期表金屬區最右側邊緣的元素（如鉛和錫）結合而成。這些元素結合成的鍵，每個都由兩個電子組成（似共價鍵），然而這些電子又并非為單個分子所有，而為整塊材料所共享（似金屬鍵）。科學家稱這種化學鍵為“元價鍵”，由此形成的化合物稱為“初生金屬”。
初生金屬的性質也似驢似馬。正常的金屬既是熱的良導體，又是電的良導體，而初生金屬雖然是電的良導體，但導熱性能卻很差。更重要的是，其導電性能對環境溫度特别敏感。這使得初生金屬成為有用的熱電材料，可用于收集廢熱，将其轉化為電能。
二、幽靈氫鍵
事實上，早于範德瓦爾斯力，第一個被發現不合正規定義的化學鍵是氫鍵。
氫鍵涉及已與氧、氮或氟等原子形成共價鍵的氫原子。由于這些元素的原子傾向于獨占那對共享電子，使氫帶有輕微的正電荷，是以氫又可以吸引其他負極性的分子（這類分子雖然總電荷為零，但由于電荷分布不均勻，導緻略微帶負電）。分子通過氫的媒介結合在一起，是以叫“氫鍵”。但氫鍵通常比共價鍵、離子鍵要弱得多，而且也不是靠共享或轉移電子而形成的，是以又不是嚴格意義上的化學鍵。
氫鍵的存在很普遍。水（HO）在常溫是液體而非氣體，靠的是水分子之間的氫鍵；氨基酸的一條條分子鍊通過氫鍵形成複雜形狀的蛋白；DNA雙螺旋結構上的一對對堿基，通過氫鍵形成堿基對……
然而，人們仍然不完全清楚氫鍵是什麼。作為氫鍵的一個簡單模型，雙氟化物離子（HF）通常被認為是一個共價鍵的氟化氫（HF）分子，通過氫鍵結合一個氟離子形成的，假如用-代表共價鍵，…代表氫鍵，其結構式即為F-H…F。但科學家後來發現，當雙氟化物離子在水中振動時，其結構在F-H…F和F…H…F之間不斷變化。換句話說，其中一個鍵總是在共價鍵和氫鍵之間切換。在這裡，氫鍵和共價鍵的差別開始模糊了。
鍵通常不是剛性的，而是可以彎曲、拉伸和振動的。這表明，要确定一個鍵的存在，我們需要評估的不僅僅是原子是否粘在一起，還要看粘連了多長時間。一個典型例子是超臨界水：水被加熱到超過其臨界點（在218個大氣壓，水的沸點是374℃），在那裡不再有液态和氣态之分。人們一直在争論這種時候是否還有氫鍵存在。最近有位德國化學家對此做了模拟。結果顯示，超臨界水中的氫鍵斷裂得非常快。在這種情況下，是否還有資格成為氫鍵，隻能各說各話了。
更好地了解超臨界水中的氫鍵對化學工業有很大的幫助。超臨界水可以溶解普通水不能溶解的東西，它是有毒的有機溶劑（如苯或甲苯）的環保替代品。
三、不涉及電子的機械鍵
把兩個鑰匙環扣在一起，它們也算“結合”成了一體。但這種“結合”不涉及任何作用力，僅僅是機械地串起來而已。
有機化學中也有環狀的分子，如苯。它們也可以機械地串起來，在不涉及電子的情況下就能永久地連接配接。這樣的結合被稱為“機械鍵”。
用這種方式可以把環狀和鍊狀分子組裝成納米機器。例如，用輪烷類分子模仿車輪，用鍊烴類分子模仿車軸等，你可以像樂高玩具一樣裝配出納米級别的機器。這些納米機器可以被用作開關和轉子，其潛在的應用包括分子資訊存儲，以及人工分子肌肉。2016年的諾貝爾化學獎頒給了在這個領域工作的三位化學家，以表彰他們在分子機器設計中的貢獻。
迄今為止，這些分子機器大多是在溶液中各自為陣，現在的一個挑戰是，如何讓這些分子機器協同工作。例如，隻有當許多這樣的分子機器一起工作時，由它們組成的群體才會真正發揮作用。
四、不是由電子形成的化學鍵
迄今我們說的化學鍵，除了機械鍵，都涉及電子。那麼，成鍵的能不能換成别的粒子呢？答案是肯定的。
電子有位胖表親，叫μ介子。μ介子與電子具有相同的負電荷，但品質要大207倍，也可以将原子結合起來。μ子可以在粒子加速器中制造出來，并能将電子從原子中撞出去，取代電子的位置。這樣，原先成鍵的地方就變成了μ鍵。但μ子不穩定，存在時間隻有幾分之一秒，是以μ鍵的壽命也很短。
這聽起來似乎沒什麼用處。但由于μ子比電子要重得多，μ鍵的強度也會大得多，這将使分子中的兩個原子核拉得更近。在一個通過μ鍵形成的H分子中，兩個氫原子核的距離是原來的1/196。研究人員一直試圖利用這一效應，将兩個氫原子核拉得足夠近，以便它們能夠發生聚變反應，釋放出核能。
1957年，實體學家用氫的重同位素氘和氚，首次示範了這一設想。雖然示範成功，但遺憾的是，這樣的核反應無法持續。“持續”的意思是一個反應完成之後，能立刻就啟動另一個，類似原子彈的鍊式裂變反應。是以，要想通過這種方式開發核能，目前還無法實作。
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來源：大科技
編輯：Garrett