Wetenschap
Promethium gebonden:nieuwe studie onthult eigenschappen van zeldzame aardelementen
Wetenschappers hebben de eigenschappen ontdekt van een zeldzaam aardelement dat 80 jaar geleden voor het eerst werd ontdekt in hetzelfde laboratorium, waardoor een nieuwe weg is geopend voor de verkenning van elementen die cruciaal zijn in de moderne technologie, van geneeskunde tot ruimtevaart.
Promethium werd in 1945 ontdekt in Clinton Laboratories, nu het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy, en wordt nog steeds in kleine hoeveelheden geproduceerd bij ORNL. Sommige eigenschappen ervan zijn ongrijpbaar gebleven, ondanks het gebruik van het zeldzame aardelement in medische onderzoeken en nucleaire batterijen met een lange levensduur. Het is vernoemd naar de mythologische Titaan die vuur aan mensen bracht en wiens naam het menselijk streven symboliseert.
"Het hele idee was om dit zeer zeldzame element te onderzoeken om nieuwe kennis te vergaren", zegt Alex Ivanov, een ORNL-wetenschapper die mede leiding gaf aan het onderzoek. "Toen we eenmaal beseften dat het ontdekt was in dit nationale laboratorium en op de plek waar we werken, voelden we ons verplicht dit onderzoek uit te voeren om de erfenis van ORNL hoog te houden."
Het door ORNL geleide team van wetenschappers bereidde een chemisch complex van promethium voor, waardoor de karakterisering ervan voor het eerst in oplossing mogelijk werd. Zo hebben ze in een reeks nauwgezette experimenten de geheimen van deze uiterst zeldzame lanthanide, waarvan het atoomnummer 61 is, blootgelegd.
Hun onderzoek, gepubliceerd in het tijdschrift Nature , markeert een aanzienlijke vooruitgang in het onderzoek naar zeldzame aardmetalen en zou scheikundeboeken kunnen herschrijven.
"Omdat het geen stabiele isotopen heeft, was promethium het laatste lanthanide dat werd ontdekt en het moeilijkst te bestuderen", zegt Ilja Popovs van ORNL, die mede leiding gaf aan het onderzoek. De meeste zeldzame aardelementen zijn lanthaniden, elementen van 57 – lanthaan – tot 71 – lutetium – op het periodiek systeem. Ze hebben vergelijkbare chemische eigenschappen, maar verschillen in grootte.
De andere 14 lanthaniden zijn goed begrepen. Het zijn metalen met nuttige eigenschappen die ze onmisbaar maken in veel moderne technologieën. Het zijn werkpaarden van toepassingen zoals lasers, permanente magneten in windturbines en elektrische voertuigen, röntgenschermen en zelfs kankerbestrijdende medicijnen.
"Er zijn duizenden publicaties over de chemie van lanthaniden zonder promethium. Dat was een flagrante kloof voor de hele wetenschap", zegt Santa Jansone-Popova van ORNL, die mede leiding gaf aan het onderzoek. "Wetenschappers moeten de meeste eigenschappen ervan aannemen. Nu kunnen we er een aantal daadwerkelijk meten."
Het onderzoek was gebaseerd op unieke middelen en expertise die beschikbaar waren bij de nationale DOE-laboratoria. Met behulp van een onderzoeksreactor, hete cellen en supercomputers, en de verzamelde kennis en vaardigheden van 18 wetenschappers op verschillende gebieden, hebben de auteurs de eerste observatie van een promethiumcomplex in oplossing gedetailleerd.
De ORNL-wetenschappers bonden of cheleerden radioactief promethium met speciale organische moleculen die diglycolamideliganden worden genoemd. Vervolgens bepaalden ze met behulp van röntgenspectroscopie de eigenschappen van het complex, inclusief de lengte van de chemische binding van promethium met naburige atomen – een primeur voor de wetenschap en een al lang bestaand ontbrekend stukje in het periodiek systeem der elementen.
Promethium is zeer zeldzaam; slechts ongeveer een pond komt op een bepaald moment van nature voor in de aardkorst. In tegenstelling tot andere zeldzame aardmetalen zijn er slechts minieme hoeveelheden synthetisch promethium beschikbaar omdat het geen stabiele isotopen heeft.
Voor deze studie produceerde het ORNL-team de isotoop promethium-147, met een halfwaardetijd van 2,62 jaar, in voldoende hoeveelheden en met een voldoende hoge zuiverheid om de chemische eigenschappen ervan te bestuderen. ORNL is de enige producent van promethium-147 in de Verenigde Staten.
Het team heeft met name de eerste demonstratie gegeven van een kenmerk van lanthanidecontractie in oplossing voor de hele lanthanideserie, inclusief promethium, atoomnummer 61. Lanthanidecontractie is een fenomeen waarbij elementen met atoomnummers tussen 57 en 71 kleiner zijn dan verwacht.
Naarmate de atoomnummers van deze lanthaniden toenemen, nemen de stralen van hun ionen af. Deze samentrekking creëert onderscheidende chemische en elektronische eigenschappen omdat dezelfde lading beperkt is tot een kleiner wordende ruimte. De ORNL-wetenschappers kregen een duidelijk promethiumsignaal, waardoor ze de vorm van de trend beter konden definiëren – over de hele reeks heen.
"Het is echt verbazingwekkend vanuit wetenschappelijk oogpunt. Ik was getroffen toen we alle gegevens hadden", zei Ivanov. "De samentrekking van deze chemische binding versnelt langs deze atomaire reeks, maar na promethium vertraagt deze aanzienlijk. Dit is een belangrijke mijlpaal in het begrijpen van de chemische bindingseigenschappen van deze elementen en hun structurele veranderingen langs het periodiek systeem."
Veel van deze elementen, zoals die in de lanthaniden- en actinidenreeksen, hebben toepassingen variërend van de diagnostiek en behandeling van kanker tot duurzame energietechnologieën en nucleaire batterijen met een lange levensduur voor verkenning van de ruimte.
Deze prestatie zal onder meer de moeilijke taak van het scheiden van deze waardevolle elementen verlichten, aldus Jansone-Popova. Het team heeft lang gewerkt aan scheidingen voor de hele reeks lanthaniden, "maar promethium was het laatste puzzelstukje. Het was een hele uitdaging", zei ze.
"Je kunt al deze lanthaniden niet als een mengsel gebruiken in moderne geavanceerde technologieën, omdat je ze eerst moet scheiden. Dit is waar de samentrekking erg belangrijk wordt; het stelt ons in feite in staat ze te scheiden, wat nog steeds een behoorlijk moeilijke taak is." /P>
Het onderzoeksteam maakte in het project gebruik van verschillende eersteklas DOE-faciliteiten. Bij ORNL werd promethium gesynthetiseerd in de High Flux Isotope Reactor, een gebruikersfaciliteit van het DOE Office of Science, en gezuiverd in het Radiochemical Engineering Development Center, een multifunctionele radiochemische verwerkings- en onderzoeksfaciliteit.
Vervolgens voerde het team röntgenabsorptiespectroscopie uit bij de National Synchrotron Light Source II, een DOE Office of Science-gebruikersfaciliteit in het Brookhaven National Laboratory van DOE, specifiek werkzaam bij de Beamline for Materials Measurement.
Het team voerde ook kwantumchemische berekeningen en moleculaire dynamica-simulaties uit bij de Oak Ridge Leadership Computing Facility, een DOE Office of Science-gebruikersfaciliteit bij ORNL, met behulp van de Summit-supercomputer van het laboratorium, de enige computerbron die op dat moment in staat was om de noodzakelijke berekeningen te leveren. /P>
Daarnaast maakten de onderzoekers gebruik van middelen van de Compute and Data Environment for Science van ORNL. Ze verwachten dat toekomstige berekeningen zullen worden uitgevoerd op ORNL's Frontier, 's werelds krachtigste supercomputer en het eerste exaschaalsysteem, dat in staat is om meer dan een triljoen berekeningen per seconde uit te voeren.
Popovs benadrukte dat de door ORNL geleide prestaties kunnen worden toegeschreven aan teamwerk. Elk van de Natuur De 18 auteurs van het artikel waren van cruciaal belang voor het project, zei hij.
Deze prestatie vormt de weg voor een nieuw tijdperk van onderzoek, aldus de wetenschappers. "Alles wat we een modern technologiewonder zouden noemen, zou in een of andere vorm deze zeldzame aardelementen bevatten", zei Popovs. "We voegen de ontbrekende schakel toe."