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专家们在认识钷（Promethium）的性质方面取得了重大突破，这种稀土元素尽管在现代技术中得到了应用，但仍拥有难以捉摸的特征。
专家们发掘了80年前在同一个实验室首次发掘的稀土元素的特性，为探索从医学到太空旅行等现代技术中至关要紧的元素开辟了一条新途径。
1945年，钷（Promethium）在克林顿实验室（此刻是美国能源部的橡树岭国家实验室）被发掘，并继续在ORNL以微量生产。尽管稀土元素被用于医学科研和长寿命核电池，但它的有些特性仍然难以捉摸。它是以神话中给人类送火的泰坦命名的，它的名字象征着人类的奋斗。
ORNL的突破性科研
“全部想法是探索这种非常罕见的元素，以得到新的知识，”ORNL的专家亚历克斯·伊万诺夫（Alex Ivanov）说，他是这项科研的一起负责人。“一旦咱们认识到它是在这个国家实验室和咱们工作的地区发掘的，咱们就觉得有义务进行这项科研，以守护ORNL的遗产。”
ORNL领导的专家团队制备了一种钷的化学复合物，首次在溶液中对其进行了表征。因此呢，她们经过一系列细致的实验，揭示了这种原子序数为61的极其罕见的镧系元素的奥密。
她们里程碑式的科研发布在5月22日的《自然》杂志上，标志着稀土科研取得了重大发展，可能会改写化学教科书。
镧系元素的特性
“由于它无稳定的同位素，钷是最后被发掘的镧系元素，亦是最难科研的，”ORNL的Ilja Popovs说，他是这项科研的一起负责人。大都数稀土元素是镧系元素，元素周期表上的元素从57（镧）到71（镥）。它们的化学性质类似，但体积区别。
其他14种镧系元素已然被很好地理解了。它们是拥有有用特性的金属，这使得它们在许多现代技术中不可或缺。它们是激光、风力涡轮机和电动汽车中的永磁体、X射线屏幕乃至抗癌药品等应用的主力。
“有成千上万种关于不含钷的镧系元素化学的出版物。这对所有科学来讲都是一个显著的差距，”ORNL的Santa Jansone-Popova说，他是这项科研的一起负责人。“专家必要假设它的大部分特性。此刻咱们实质上能够测绘其中的有些。”
独特的科研能力
这项科研依赖于美国能源部国家实验室供给的独特资源和专业知识。利用科研反应堆、热电池和超级计算机，以及18位区别行业的专家累积的知识和技能，作者仔细描述了首次观察到溶液中的钷复合物。
ORNL的专家们将放射性钷与一种叫做二乙醇酰胺配体的特殊有机分子结合或螯合。而后，利用X射线光谱学，她们确定了复合物的性质，包含钷与邻近原子化学键的长度 —— 这是科学上的第1次，亦是元素周期表上长时间缺失的一部分。
钷非常稀有；在任何给定的时间里，地壳中自然产生的能量仅有一磅上下。与其他稀土元素区别，因为无稳定的同位素，仅有微量的合成钷可用。
在这项科研中，ORNL团队生产了半衰期为2.62年的同位素钷-147，其数量和纯度足以科研其化学性质。ORNL是美国独一的钷-147生产商。
值得重视的是，该小组首次展示了镧系元素在溶液中收缩的特征，包含原子序数为61的钷。镧系元素收缩指的是原子序数在57到71之间的元素比预期的要小。随着这些镧系元素原子序数的增多，它们离子的半径减小。这种收缩产生了独特的化学和电子特性，由于相同的电荷被限制在一个缩小的空间内。ORNL的专家们得到了一个清晰的钷信号，这使她们能够更好地定义全部系列的趋势形状。
“从科学的方向来看，这真的很令人惊讶。当咱们把握了所有的数据后，我很震惊。这种化学键的收缩沿着这个原子系列加速，但在钷之后，它的收缩速度大大减缓。这是理解这些元素的化学键性质以及它们在元素周期表上的结构变化的一个要紧里程碑。”
其中许多元素，如镧系元素和锕系元素，应用范围从癌症诊断和治疗到可再生能源技术和用于深空探索的长寿命核电池。
对技术和科学的影响
按照Jansone-Popova的说法，这一成就将减轻分离这些有价值元素的困难工作。该团队长时间致力于分离全部镧系元素系列，“但钷是最后一起拼图。这特别有挑战性，”她说。“在现代先进技术中，你不可把所有这些镧系元素做为混合物运用，由于首要你必须把它们分离开来。这便是缩略语变得非常要紧的地区;它基本上能够让咱们把它们掰开，这仍然是一项相当艰巨的任务。”
科研小组在这个项目中运用了美国能源部的几个重点设备。在ORNL，钷是在高通量同位素反应堆（美国能源部科学办公室的用户设备）合成的，并在放射化学工程研发中心（一个多用途放射化学处理和科研设备）进行纯化。而后，该团队在美国能源部布鲁克海文国家实验室的国家同步加速器光源II（美国能源部科学办公室用户设备）进行了X射线吸收光谱科研，专门科研由美国国家标准与技术科研所帮助和运营的材料测绘光束线。
该团队还在橡树岭领导计算设备进行了量子化学计算和分子动力学模拟，橡树岭领导计算设备是ORNL的能源部科学办公室用户设备，运用实验室的Summit超级计算机，这是当时独一能够供给必要计算的计算资源。另外，科研人员还运用了ORNL的科学计算和数据环境资源。她们预计将来的计算将在ORNL的Frontier上进行，这是世界上最强大的超级计算机，亦是第1个百亿亿次系统，每秒能够执行超过1万亿次的计算。
Jansone-Popova强调，ORNL领导的成就能够归功于团队合作。他说，《自然》上那篇论文的18位作者都对这个项目至关要紧。
专家们说，这一成就为科研的新时代奠定了基本。Jansone-Popova说：“任何咱们叫作之为现代科技奇迹的东西，都会以这般或那样的形式包括这些稀土元素。咱们正在弥补缺失的环节。”
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发表于 2024-6-28 07:33:03
