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内层电子预期具有花生状的波函数，正如Si2s电子分布情况一样(右图)。然而，在C-C键中，C1s电子形成一个极性相反的环面，如左图中的粉红色所示。

来源:Yokohama National University（横滨国立大学）

研究人员解开了一个长期以来的谜团：为什么硅不能取代有机化合物中的碳。对C2、Si2及其氢化物的一项新的基准量子化学计算首次揭示了有机分子及其硅类似物在其核电子轨道拓扑结构上的定性差异。而且，研究人员还提出，一些其他的元素会像碳元素一样，在化学键合过程中改变自身的核电子节点结构。

自从硅被发现和Wöhler成功合成有机物来欺骗大自然以来，Wöhler 是第一批于19世纪中叶建议在有机化合物中以硅取代碳的人们中的一个。20世纪初，人们就清楚地认识到，硅原子的化学性质与碳原子并不相似，而硅基生命体的虚幻想法只存在于科幻小说之中。众所周知，从经验上来说，碳原子能形成各种各样的不饱和化合物，而硅原子却不能。然而，为什么只有碳原子具有这种能力的根本原因仍是个谜。在横滨国立大学进行的空前精确的量子化学计算显示，核电子(不应该参与化学键)在碳原子和硅原子的不饱和化合物中发挥着非常不同的作用。碳原子有改变其核心电子的拓扑结构(节点结构)的倾向，C2是在由C1s电子构成环状的g轨道上形成一个环面。然而，在其所有分子中，Si2一直保持着球形的核外轨道。这些轨道都是以每个原子位点为中心的。这些碳原子核外轨道的可变性使得碳能形成众多不同的价键结构。然而，硅原子受限于与球形核轨道正交的键结构。

这一发现可能会产生深远的影响。因为迄今为止，核电子被认为或多或少是惰性的，但如今或许有必要重新评估它们在化学键合作用中的作用，至少在不饱和键的情况下是如此。其他诸如氮、磷、氟这样的元素也表现出类似的可变性，能够改变自身的核电子拓扑结构，从而形成同样多种多样的化学物质。

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