Promethium bundet:Ny undersøgelse afdækker sjældne jordarters egenskaber
Forskere har afsløret egenskaberne af et sjældent jordelement, der først blev opdaget for 80 år siden i det samme laboratorium, hvilket åbner en ny vej for udforskningen af elementer, der er kritiske i moderne teknologi, fra medicin til rumrejser.
Promethium blev opdaget i 1945 på Clinton Laboratories, nu Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory, og fortsætter med at blive produceret på ORNL i små mængder. Nogle af dets egenskaber er forblevet uhåndgribelige på trods af det sjældne jordarters brug i medicinske undersøgelser og langlivede nukleare batterier. Den er opkaldt efter den mytologiske Titan, der leverede ild til mennesker, og hvis navn symboliserer menneskelig stræben.
"Hele ideen var at udforske dette meget sjældne element for at få ny viden," sagde Alex Ivanov, en ORNL-forsker, der var med til at lede forskningen. "Da vi indså, at det blev opdaget på dette nationale laboratorium og det sted, hvor vi arbejder, følte vi en forpligtelse til at udføre denne forskning for at opretholde ORNL-arven."
Det ORNL-ledede hold af videnskabsmænd forberedte et kemisk kompleks af promethium, som gjorde det muligt at karakterisere det i opløsning for første gang. Således afslørede de hemmelighederne bag dette ekstremt sjældne lanthanid, hvis atomnummer er 61, i en række omhyggelige eksperimenter.
Deres undersøgelse, offentliggjort i tidsskriftet Nature , markerer et betydeligt fremskridt inden for forskning i sjældne jordarter og kan muligvis omskrive kemilærebøger.
"Fordi det ikke har nogen stabile isotoper, var promethium det sidste lanthanid, der blev opdaget, og det har været det sværeste at studere," sagde ORNLs Ilja Popovs, som var med til at lede forskningen. De fleste sjældne jordarters grundstoffer er lanthanider, grundstoffer fra 57-lanthan-til 71-lutetium-i det periodiske system. De har lignende kemiske egenskaber, men er forskellige i størrelse.
De andre 14 lanthanider er godt forstået. Det er metaller med nyttige egenskaber, der gør dem uundværlige i mange moderne teknologier. De er arbejdsheste til anvendelser såsom lasere, permanente magneter i vindmøller og elektriske køretøjer, røntgenskærme og endda kræftbekæmpende medicin.
"Der er tusindvis af publikationer om lanthaniders kemi uden promethium. Det var et grelt hul for hele videnskaben," sagde ORNLs Santa Jansone-Popova, som var med til at lede undersøgelsen. "Forskere er nødt til at antage de fleste af dets egenskaber. Nu kan vi faktisk måle nogle af dem."
Forskningen var afhængig af unikke ressourcer og ekspertise, der var tilgængelig på DOE nationale laboratorier. Ved hjælp af en forskningsreaktor, varme celler og supercomputere samt den akkumulerede viden og færdigheder fra 18 videnskabsmænd inden for forskellige områder, detaljerede forfatterne den første observation af et promethiumkompleks i opløsning.
ORNL-forskerne bandt eller chelateret radioaktivt promethium med specielle organiske molekyler kaldet diglycolamidligander. Derefter bestemte de ved hjælp af røntgenspektroskopi kompleksets egenskaber, inklusive længden af den kemiske promethiumbinding med naboatomer - en første for videnskaben og en mangeårig manglende brik i grundstoffernes periodiske system.
Promethium er meget sjældent; kun omkring et pund forekommer naturligt i jordskorpen på et givet tidspunkt. I modsætning til andre sjældne jordarters grundstoffer er kun små mængder syntetisk promethium tilgængelige, fordi det ikke har nogen stabile isotoper.
Til denne undersøgelse producerede ORNL-holdet isotopen promethium-147, med en halveringstid på 2,62 år, i tilstrækkelige mængder og med en høj nok renhed til at studere dens kemiske egenskaber. ORNL er USA's eneste producent af promethium-147.
Især gav holdet den første demonstration af et træk ved lanthanidkontraktion i opløsning for hele lanthanidserien, inklusive promethium, atomnummer 61. Lanthanidkontraktion er et fænomen, hvor grundstoffer med atomnumre mellem 57 og 71 er mindre end forventet.
Efterhånden som disse lanthaniders atomnummer stiger, falder radierne af deres ioner. Denne sammentrækning skaber karakteristiske kemiske og elektroniske egenskaber, fordi den samme ladning er begrænset til et krympende rum. ORNL-forskerne fik et klart promethium-signal, som gjorde dem i stand til bedre at definere formen på trenden – på tværs af serien.
"Det er virkelig forbløffende fra et videnskabeligt synspunkt. Jeg blev ramt, da vi havde alle dataene," sagde Ivanov. "Sammentrækningen af denne kemiske binding accelererer langs denne atomserie, men efter promethium bremses den betydeligt. Dette er et vigtigt vartegn i forståelsen af de kemiske bindingsegenskaber af disse grundstoffer og deres strukturelle ændringer langs det periodiske system."
Mange af disse elementer, såsom dem i lanthanid- og actinid-serien, har anvendelser lige fra kræftdiagnostik og behandling til vedvarende energiteknologier og langlivede nukleare batterier til udforskning af det dybe rum.
Præstationen vil blandt andet lette det svære arbejde med at adskille disse værdifulde elementer, ifølge Jansone-Popova. Holdet har længe arbejdet på separationer for hele serien af lanthanider, "men promethium var den sidste puslespilsbrik. Det var ret udfordrende," sagde hun.
"Du kan ikke bruge alle disse lanthanider som en blanding i moderne avancerede teknologier, fordi du først skal adskille dem. Det er her sammentrækningen bliver meget vigtig; det giver os grundlæggende mulighed for at adskille dem, hvilket stadig er en ret vanskelig opgave."
Forskerholdet brugte flere førende DOE-faciliteter i projektet. På ORNL blev promethium syntetiseret ved High Flux Isotope Reactor, en DOE Office of Science brugerfacilitet, og renset ved Radiochemical Engineering Development Center, en multifunktionel radiokemisk behandlings- og forskningsfacilitet.
Derefter udførte holdet røntgenabsorptionsspektroskopi ved National Synchrotron Light Source II, en DOE Office of Science-brugerfacilitet på DOE's Brookhaven National Laboratory, der specifikt arbejdede ved Beamline for Materials Measurement.
Holdet udførte også kvantekemiske beregninger og simuleringer af molekylær dynamik på Oak Ridge Leadership Computing Facility, en DOE Office of Science brugerfacilitet på ORNL, ved at bruge laboratoriets Summit supercomputer, den eneste beregningsressource, der er i stand til at levere de nødvendige beregninger på det tidspunkt.
Derudover brugte forskerne ressourcer fra Compute and Data Environment for Science på ORNL. De forventer, at fremtidige beregninger vil blive udført på ORNL's Frontier, verdens mest kraftfulde supercomputer og det første exascale-system, som er i stand til at udføre mere end en kvintillion beregninger hvert sekund.
Popovs understregede, at de ORNL-ledede resultater kan tilskrives teamwork. Hver af Naturen Papers 18 forfattere var kritiske til projektet, sagde han.
Præstationen sætter scenen for en ny æra af forskning, sagde forskerne. "Alt, hvad vi vil kalde et moderne vidunder af teknologi, ville omfatte, i en eller anden form, disse sjældne jordarters elementer," sagde Popovs. "Vi tilføjer det manglende led."
Flere oplysninger: Ilja Popovs, Observation af et promethiumkompleks i opløsning, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07267-6. www.nature.com/articles/s41586-024-07267-6
Journaloplysninger: Natur
Leveret af Oak Ridge National Laboratory
Varme artikler
-
Oprettelse af en chiral polymer ud fra achirale monomerer ved hjælp af et magnetfeltSkematisk og en foreslået mekanisme for elektropolymerisationsprocessen af 2-vinylpyridin. (A) Skematisk over elektropolymerisationsprocessen af 2-vinylpyridin (25). (B) Skematisk af en foreslået -
Forskere udvikler ny metode til at analysere metalHærens forskere Dr. Stephen Berkebile (til venstre) og Nikhil Murthy (til højre) undersøger, hvordan siliciumnitrid reagerer på stål under tør glidende mekanisk kontakt for bedre at forstå udstyrsnedb -
Højeffektiv syntese af insulin ved selvsamling baseret organisk kemiEn simpel protokol udviklet til insulinpræparation. Kredit:Michio Iwaoka Forskere ved Tokai, Osaka, Tohoku og Fukuoka Universiteter rapporterer i tidsskriftet Kommunikationskemi på syntese af in -
Forskere opfinder små, genlukkelige pakker til levering af materialer i køDenne simulering viser lagene i pakkerne - et sort ydre lag, en rød, udskifteligt lag, der forbinder de to, og det glasagtige inderlag i guld. Blå vandmolekyler omgiver pakken. Kredit:Lucas Antony
- Udforsker ekstremer i søgen efter liv på Mars
- DNA kan fungere som velcro for nanopartikler
- Den advarende hale af Comet Swift-Tuttle
- Forskere finder, at nedbørstærskler regulerer kulstofudveksling
- Hvordan har radiocarbon dating ændret arkæologi?
- Neurovidenskabsmænd træner et dybt neuralt netværk til at behandle lyde, som mennesker gør