Forskare har avslöjat egenskaperna hos ett sällsynt jordartsmetall som först upptäcktes för 80 år sedan vid samma laboratorium, vilket öppnar en ny väg för utforskning av element som är avgörande i modern teknik, från medicin till rymdresor.
Promethium upptäcktes 1945 vid Clinton Laboratories, nu Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory, och fortsätter att produceras vid ORNL i små mängder. Vissa av dess egenskaper har förblivit svårfångade trots att det sällsynta jordartselementet används i medicinska studier och långlivade kärnkraftsbatterier. Den är uppkallad efter den mytologiska titan som levererade eld till människor och vars namn symboliserar mänsklig strävan.
"Hela idén var att utforska detta mycket sällsynta element för att få ny kunskap", säger Alex Ivanov, en ORNL-forskare som var med och ledde forskningen. "När vi insåg att det upptäcktes på det här nationella labbet och platsen där vi arbetar, kände vi en skyldighet att genomföra denna forskning för att upprätthålla ORNL-arvet."
Det ORNL-ledda teamet av forskare förberedde ett kemiskt komplex av prometium, vilket möjliggjorde dess karaktärisering i lösning för första gången. Således avslöjade de hemligheterna bakom denna extremt sällsynta lantanid, vars atomnummer är 61, i en serie noggranna experiment.
Deras studie, publicerad i tidskriften Nature , markerar ett betydande framsteg inom forskning om sällsynta jordartsmetaller och kan skriva om läroböcker i kemi.
"Eftersom det inte har några stabila isotoper, var prometium den sista lantaniden som upptäcktes och har varit den svåraste att studera", säger ORNL:s Ilja Popovs, som var med och ledde forskningen. De flesta sällsynta jordartsmetaller är lantanider, grundämnen från 57—lantan—till 71—lutetium—på det periodiska systemet. De har liknande kemiska egenskaper men skiljer sig i storlek.
De övriga 14 lantaniderna är väl förstådda. De är metaller med användbara egenskaper som gör dem oumbärliga i många moderna tekniker. De är arbetshästar för tillämpningar som lasrar, permanentmagneter i vindturbiner och elfordon, röntgenskärmar och till och med cancerbekämpande läkemedel.
"Det finns tusentals publikationer om lantaniders kemi utan prometium. Det var en påfallande lucka för all vetenskap", säger ORNL:s Santa Jansone-Popova, som var med och ledde studien. "Forskare måste anta de flesta av dess egenskaper. Nu kan vi faktiskt mäta några av dem."
Forskningen förlitade sig på unika resurser och expertis tillgängliga vid DOE nationella laboratorier. Med hjälp av en forskningsreaktor, heta celler och superdatorer, samt den samlade kunskapen och färdigheten hos 18 forskare inom olika områden, beskrev författarna den första observationen av ett prometiumkomplex i lösning.
ORNL-forskarna band eller kelerade radioaktivt prometium med speciella organiska molekyler som kallas diglykolamidligander. Sedan, med hjälp av röntgenspektroskopi, bestämde de komplexets egenskaper, inklusive längden på den kemiska prometiumbindningen med angränsande atomer – en första för vetenskapen och en sedan länge saknad del av det periodiska systemet för grundämnen.
Prometium är mycket sällsynt; endast cirka ett pund förekommer naturligt i jordskorpan vid varje given tidpunkt. Till skillnad från andra sällsynta jordartsmetaller är endast små mängder syntetiskt prometium tillgängliga eftersom det inte har några stabila isotoper.
För denna studie producerade ORNL-teamet isotopen promethium-147, med en halveringstid på 2,62 år, i tillräckliga mängder och med tillräckligt hög renhet för att studera dess kemiska egenskaper. ORNL är USA:s enda tillverkare av promethium-147.
Noterbart gav teamet den första demonstrationen av en egenskap hos lantanidkontraktion i lösning för hela lantanidserien, inklusive prometium, atomnummer 61. Lantanidkontraktion är ett fenomen där element med atomnummer mellan 57 och 71 är mindre än förväntat.
När atomnumret för dessa lantanider ökar, minskar radierna för deras joner. Denna sammandragning skapar distinkta kemiska och elektroniska egenskaper eftersom samma laddning är begränsad till ett krympande utrymme. ORNL-forskarna fick en tydlig prometiumsignal, vilket gjorde det möjligt för dem att bättre definiera formen på trenden – över hela serien.
"Det är verkligen häpnadsväckande ur en vetenskaplig synvinkel. Jag blev slagen när vi hade alla data", sa Ivanov. "Sammandragningen av denna kemiska bindning accelererar längs denna atomserie, men efter prometium saktar den ner avsevärt. Detta är ett viktigt landmärke för att förstå de kemiska bindningsegenskaperna hos dessa grundämnen och deras strukturella förändringar längs det periodiska systemet."
Många av dessa element, som de i lantanid- och aktinidserien, har tillämpningar som sträcker sig från cancerdiagnostik och behandling till förnybar energiteknik och långlivade kärnkraftsbatterier för utforskning av rymden på djupet.
Prestationen kommer bland annat att underlätta det svåra jobbet att separera dessa värdefulla element, enligt Jansone-Popova. Teamet har länge arbetat med separationer för hela serien av lantanider, "men prometium var den sista pusselbiten. Det var ganska utmanande", sa hon.
"Du kan inte använda alla dessa lantanider som en blandning i modern avancerad teknologi, för först måste du separera dem. Det är här sammandragningen blir mycket viktig; den tillåter oss i princip att separera dem, vilket fortfarande är en ganska svår uppgift."
Forskargruppen använde flera främsta DOE-anläggningar i projektet. På ORNL syntetiserades prometium vid High Flux Isotope Reactor, en DOE Office of Science-användaranläggning, och renades vid Radiochemical Engineering Development Center, en multifunktionell radiokemisk bearbetnings- och forskningsanläggning.
Sedan utförde teamet röntgenabsorptionsspektroskopi vid National Synchrotron Light Source II, en DOE Office of Science-användaranläggning vid DOE:s Brookhaven National Laboratory, som specifikt arbetade vid Beamline for Materials Measurement.
Teamet utförde också kvantkemiska beräkningar och simuleringar av molekylär dynamik vid Oak Ridge Leadership Computing Facility, en DOE Office of Science-användaranläggning vid ORNL, med hjälp av labbets superdator Summit, den enda beräkningsresursen som kan tillhandahålla de nödvändiga beräkningarna vid den tidpunkten.
Dessutom använde forskarna resurser från Compute and Data Environment for Science vid ORNL. De förväntar sig att framtida beräkningar ska utföras på ORNL:s Frontier, världens kraftfullaste superdator och det första exascale-systemet, som kan utföra mer än en kvintiljon beräkningar varje sekund.
Popovs betonade att de ORNL-ledda prestationerna kan tillskrivas lagarbete. Var och en av Natur tidningens 18 författare var kritiska till projektet, sa han.
Prestationen sätter scenen för en ny era av forskning, sa forskarna. "Allt som vi skulle kalla ett modernt teknikunderverk skulle innefatta, i en eller annan form, dessa sällsynta jordartsmetaller," sa Popovs. "Vi lägger till den saknade länken."
Mer information: Ilja Popovs, Observation av ett prometiumkomplex i lösning, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07267-6. www.nature.com/articles/s41586-024-07267-6
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av Oak Ridge National Laboratory
