钷结合新研究揭示了稀土元素的特性

概念艺术展示了被有机配体包围的小瓶中的稀土元素钷。橡树岭国家实验室的科学家发现了钷的隐藏特征，为研究其他镧系元素开辟了途径。图片来源：Jacqueline DeMink，艺术;托马斯·戴克，摄影; ORNL，美国能源部

科学家们揭示了 80 年前在同一个实验室首次发现的稀土元素的特性，为探索从医学到太空旅行等现代技术中至关重要的元素开辟了新途径。

钷于 1945 年在克林顿实验室(现为美国能源部橡树岭国家实验室)被发现，目前仍在橡树岭国家实验室以极少量生产。尽管这种稀土元素用于医学研究和长寿命核电池，但其某些特性仍不为人所知。钷以神话中的泰坦命名，泰坦为人类带来了火种，其名字象征着人类的奋斗。

“整个想法是探索这种非常稀有的元素以获得新知识，”共同领导这项研究的橡树岭国家实验室科学家亚历克斯·伊万诺夫说。 “一旦我们意识到它是在这个国家实验室和我们工作的地方发现的，我们就感到有义务进行这项研究以维护橡树岭国家实验室的遗产。”

橡树岭国家实验室领导的科学家团队制备了钷的化学复合物，首次在溶液中对其进行表征。于是，他们通过一系列细致的实验，揭开了这种原子序数为61的极其稀有的镧系元素的秘密。

他们的研究发表在《自然》杂志上，标志着稀土研究的重大进展，并可能改写化学教科书。

“由于钷没有稳定的同位素，它是最后一个被发现的镧系元素，也是最难研究的，”该研究的共同领导者、橡树岭国家实验室的伊利亚·波波夫斯(Ilja Popovs)说。大多数稀土元素都是镧系元素，即元素周期表中第 57 号(镧)到 71 号(镥)的元素。它们具有相似的化学性质，但尺寸不同。

其余 14 种镧系元素已被充分了解。它们是具有实用特性的金属，在许多现代技术中都不可或缺。它们是激光器、风力涡轮机和电动汽车中的永磁体、X 射线屏幕甚至抗癌药物等应用的主力。

“目前有数千份关于镧系元素化学的出版物，但不包括钷。这对整个科学界来说都是一个明显的空白，”橡树岭国家实验室的 Santa Jansone-Popova 说道，他是这项研究的共同负责人。“科学家必须假设其大部分特性。现在我们可以实际测量其中的一些特性。”

该研究依赖于能源部国家实验室提供的独特资源和专业知识。作者利用研究反应堆、热室和超级计算机，以及 18 名不同领域科学家积累的知识和技能，详细描述了溶液中钷络合物的首次观察结果。

橡树岭国家实验室的科学家将放射性钷与称为二甘醇酰胺配体的特殊有机分子结合或螯合。然后，他们利用 X 射线光谱法确定了该配合物的性质，包括钷与邻近原子的化学键的长度——这是科学上的首次，也是元素周期表中长期缺失的部分。

钷非常稀有，在任何时候，地壳中自然存在的钷只有约一磅。与其他稀土元素不同，由于钷没有稳定的同位素，因此只有极少量的合成钷可用。

ORNL 放射化学工程开发中心的团队成员(钷样品在此纯化)从左至右依次为 Richard Mayes、Frankie White、April Miller、Matt Silveira 和 Thomas Dyke。图片来源：Carlos Jones/ORNL，美国能源部

在这项研究中，ORNL 团队生产了半衰期为 2.62 年的同位素钷-147，其数量和纯度足以研究其化学性质。 ORNL 是美国唯一的钷147 生产商。

值得注意的是，该团队首次展示了整个镧系元素系列(包括原子序数为 61 的钷)在溶液中的镧系元素收缩特征。镧系元素收缩是一种原子序数在 57 至 71 之间的元素比预期的要小的现象。

随着这些镧系元素的原子序数增加，其离子的半径减小。这种收缩产生了独特的化学和电子特性，因为相同的电荷被限制在缩小的空间中。ORNL 的科学家得到了清晰的钷信号，这使他们能够更好地定义趋势的形状——整个系列。

“从科学的角度来看，这确实令人惊讶。一旦我们掌握了所有数据，我就震惊了，”伊万诺夫说。 “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慢。这是理解这些元素的化学键特性及其沿周期表的结构变化的一个重要里程碑。”

许多这些元素，例如镧系元素和锕系元素，具有多种应用，包括癌症诊断和治疗、可再生能源技术和深空探索的长寿命核电池。

扬索内-波波娃表示，这一成就将缓解分离这些有价值元素的艰巨工作。该团队长期以来一直致力于整个系列镧系元素的分离，“但钷是最后一块拼图。这非常具有挑战性，”她说。

“在现代先进技术中，你不能将所有这些镧系元素混合使用，因为首先你需要将它们分离。这时收缩就变得非常重要;它基本上使我们能够将它们分离，这仍然是一项相当困难的任务。”

研究团队在项目中使用了美国能源部的一些顶级设施。在橡树岭国家实验室，钷是在高通量同位素反应堆(美国能源部科学办公室用户设施)中合成的，并在放射化学工程开发中心(多用途放射化学处理和研究设施)中纯化。

然后，该团队在美国能源部布鲁克海文国家实验室的美国能源部科学办公室用户设施国家同步加速器光源 II 上进行了 X 射线吸收光谱分析，专门用于材料测量的光束线。

研究团队还在橡树岭领导计算设施(位于橡树岭国家实验室的美国能源部科学办公室用户设施)使用了实验室的 Summit 超级计算机(当时唯一能够提供必要计算的计算资源)进行了量子化学计算和分子动力学模拟。

此外，研究人员还使用了橡树岭国家实验室科学计算和数据环境的资源。他们预计未来的计算将在 ORNL 的 Frontier 上进行，这是世界上最强大的超级计算机，也是第一个百亿亿级系统，每秒能够执行超过 500 亿次的计算。

波波夫斯强调，ORNL 领导的成果归功于团队合作。他说， 《自然》杂志论文的 18 位作者对该项目都至关重要。

科学家们表示，这一成果为研究的新时代奠定了基础。波波夫斯说：“任何我们称之为现代技术奇迹的东西都将以这种或那种形式包含这些稀土元素。” “我们正在添加缺失的环节。”