ערכת גילוי פרומתיום לשכתב ספרי לימוד בכימיה

מדענים עשו פריצת דרך משמעותית בהבנת התכונות של פרומתיום, יסוד אדמה נדיר בעל מאפיינים חמקמקים למרות השימוש בו בטכנולוגיה מודרנית.

מדענים חשפו את תכונותיו של יסוד אדמה נדיר שהתגלה לראשונה לפני 80 שנה באותה מעבדה ממש, ופתח נתיב חדש לחקר יסודות קריטיים בטכנולוגיה מודרנית, מרפואה ועד מסע בחלל.

פרומתיום התגלה בשנת 1945 במעבדות קלינטון, כיום המעבדה הלאומית של אוק רידג' של משרד האנרגיה, וממשיך להיות מיוצר ב-ORNL בכמויות זעירות. חלק מתכונותיו נותרו חמקמקות למרות השימוש באלמנט האדמה הנדיר במחקרים רפואיים ובסוללות גרעיניות ארוכות טווח. הוא נקרא על שם הטיטאן המיתולוגי שמסר אש לבני אדם ושמו מסמל את החתירה האנושית.

מחקר פורץ דרך ב-ORNL

"כל הרעיון היה לחקור את האלמנט הנדיר הזה כדי להשיג ידע חדש", אמר אלכס איבנוב, מדען ORNL שהוביל את המחקר. "ברגע שהבנו שזה התגלה במעבדה הלאומית הזו ובמקום שבו אנחנו עובדים, הרגשנו חובה לערוך את המחקר הזה כדי לשמור על מורשת ORNL."

צוות המדענים בראשות ORNL הכין קומפלקס כימי של פרומתיום, שאיפשר לראשונה את אפיוןו בתמיסה. כך, הם חשפו את סודות הלנתניד הנדיר הזה, שמספרו האטומי הוא 61, בסדרה של ניסויים מדוקדקים.

מחקר ציון הדרך שלהם, שפורסם ב-22 במאי בכתב העת טֶבַעמסמן התקדמות משמעותית בחקר כדור הארץ נדיר ועשוי לשכתב ספרי לימוד בכימיה.

מאפיינים של Lanthanides

"מכיוון שאין לו איזוטופים יציבים, פרומתיום היה הלנתאניד האחרון שהתגלה והיה הקשה ביותר למחקר", אמרה אילג'ה פופובס מ-ORNL, שהובילה את המחקר. רוב יסודות כדור הארץ הנדירים הם לנתאנידים, יסודות מ-57 – לנתנום – עד 71 – לוטטיום – בטבלה המחזורית. יש להם תכונות כימיות דומות אך שונות בגודלם.

שאר 14 הלנתאנידים מובנים היטב. הן מתכות בעלות תכונות שימושיות שהופכות אותן לחיוניות בטכנולוגיות מודרניות רבות. הם סוסי עבודה של יישומים כמו לייזרים, מגנטים קבועים בטורבינות רוח ובכלי רכב חשמליים, מסכי רנטגן ואפילו תרופות נגד סרטן.

"יש אלפי פרסומים על הכימיה של lanthanides ללא פרומתיום. זה היה פער בולט עבור כל המדע", אמרה סנטה יאנסונה-פופובה מ-ORNL, שהובילה את המחקר. "המדענים צריכים להניח את רוב תכונותיו. עכשיו אנחנו באמת יכולים למדוד חלק מהם".

יכולות מחקר ייחודיות

המחקר הסתמך על משאבים ומומחיות ייחודיים הזמינים במעבדות הלאומיות של DOE. באמצעות כור מחקר, תאים חמים ומחשבי-על, כמו גם הידע והמיומנויות המצטברות של 18 מדענים בתחומים שונים, פירטו המחברים את התצפית הראשונה על קומפלקס פרומתיום בתמיסה.

המדענים של ORNL קשרו, או עשו כליל, פרומתיום רדיואקטיבי עם מולקולות אורגניות מיוחדות הנקראות ליגני דיגליקולמיד. לאחר מכן, באמצעות ספקטרוסקופיה של קרני רנטגן, הם קבעו את תכונות הקומפלקס, כולל אורך הקשר הכימי של פרומתיום עם אטומים שכנים – דבר ראשון למדע וחתיכה שחסרה זה מכבר בטבלה המחזורית של היסודות.

פרומתיום נדיר מאוד; רק חצי קילוגרם מתרחש באופן טבעי בקרום כדור הארץ בכל זמן נתון. בניגוד ליסודות אדמה נדירים אחרים, זמינות רק כמויות זעירות של פרומתיום סינטטי מכיוון שאין לו איזוטופים יציבים.

לצורך מחקר זה, צוות ORNL ייצר את האיזוטופ פרומתיום-147, עם זמן מחצית חיים של 2.62 שנים, בכמויות מספיקות ובטוהר גבוה מספיק כדי לחקור את התכונות הכימיות שלו. ORNL היא היצרנית היחידה של ארצות הברית של פרומתיום-147.

יש לציין כי הצוות סיפק את ההדגמה הראשונה של תכונה של התכווצות לנתניד בתמיסה עבור כל סדרת הלנתנידים, כולל פרומתיום, מספר אטומי 61. התכווצות לנתניד היא תופעה שבה יסודות עם מספרים אטומיים בין 57 ל-71 קטנים מהצפוי. ככל שהמספרים האטומיים של הלנתנידים הללו גדלים, רדיוסים של היונים שלהם יורדים. התכווצות זו יוצרת תכונות כימיות ואלקטרוניות ייחודיות מכיוון שאותו מטען מוגבל לחלל מתכווץ. מדעני ORNL קיבלו אות פרומתיום ברור, שאיפשר להם להגדיר טוב יותר את צורת המגמה – על פני הסדרה.

"זה באמת מדהים מנקודת מבט מדעית. נפגעתי ברגע שהיו לנו את כל הנתונים", אמר איבנוב. "ההתכווצות של הקשר הכימי הזה מואצת לאורך הסדרה האטומית הזו, אבל אחרי פרומתיום, הוא מאט במידה ניכרת. זהו נקודת ציון חשובה בהבנת תכונות הקשר הכימי של יסודות אלה והשינויים המבניים שלהם לאורך הטבלה המחזורית."

לרבים מהאלמנטים הללו, כמו אלה בסדרת הלנתנידים והאקטינידים, יש יישומים החל מאבחון וטיפול בסרטן לטכנולוגיות אנרגיה מתחדשת וסוללות גרעיניות ארוכות טווח לחקר חלל עמוק.

השלכות על טכנולוגיה ומדע

ההישג יקל, בין היתר, על העבודה הקשה של הפרדת מרכיבים יקרי ערך אלה, לדברי יאנסונה-פופובה. הצוות עבד זמן רב על הפרדות עבור כל סדרת הלנתנידים, "אבל פרומתיום היה חלק הפאזל האחרון. זה היה די מאתגר", אמרה. "אי אפשר להשתמש בכל הלנתנידים האלה כתערובת בטכנולוגיות מתקדמות מודרניות, כי קודם כל צריך להפריד ביניהם. זה המקום שבו ההתכווצות הופכת חשובה מאוד; זה בעצם מאפשר לנו להפריד ביניהם, וזו עדיין משימה די קשה".

צוות המחקר השתמש בכמה מתקני DOE מובילים בפרויקט. ב-ORNL, פרומתיום סונתז בכור האיזוטוף הגבוה בשטף, מתקן משתמש של משרד המדעי של DOE, וטיהור במרכז הפיתוח להנדסה רדיוכימית, מתקן עיבוד ומחקר רדיוכימי רב-תכליתי. לאחר מכן, הצוות ביצע ספקטרוסקופיה של ספיגת קרני רנטגן ב-National Synchrotron Light Source II, מתקן משתמש של DOE Office of Science במעבדה הלאומית ברוקהייבן של DOE, שעבד במיוחד ב-Beamline for Materials Measurement, אשר ממומן ומופעל על ידי המכון הלאומי של תקנים וטכנולוגיה.

הצוות גם ביצע חישובים כימיים קוונטיים וסימולציות של דינמיקה מולקולרית ב-Oak Ridge Leadership Computing Facility, מתקן משתמש של DOE Office of Science ב-ORNL, באמצעות מחשב העל של המעבדה Summit, המשאב החישובי היחיד המסוגל לספק את החישובים הדרושים באותה עת. בנוסף, החוקרים השתמשו במשאבים של סביבת המחשוב והנתונים למדע ב-ORNL. הם מצפים שחישובים עתידיים יתבצעו על Frontier של ORNL, מחשב העל החזק בעולם ומערכת ה-Exascale הראשונה, שמסוגלת לבצע יותר מקונטיליון חישובים בכל שנייה.

פופוב הדגיש שניתן לייחס את ההישגים בהובלת ORNL לעבודת צוות. כל אחד מה טֶבַע לדבריו, 18 המחברים של העיתון היו קריטיים לפרויקט.

ההישג מכין את הבמה לעידן חדש של מחקר, אמרו המדענים. "כל מה שנקרא פלא מודרני של טכנולוגיה יכלול, בצורה זו או אחרת, את יסודות האדמה הנדירים הללו", אמר פופוב. "אנחנו מוסיפים את החוליה החסרה."

מלבד Popovs, Ivanov ו- Jansone-Popova מחטיבת מדעי הכימיה של ORNL, מחברי המאמר כוללים את דארן דריסקול, Subhamay Pramanik, Jeffrey Einkauf, Santanu Roy ותומס דייק, גם הם מהחטיבה למדעי הכימיה של ORNL; פרנקי ווייט, ריצ'רד מייז, לאטיה דלמאו, סמנתה קארי, אפריל מילר וסנדרה דאברן מחטיבת המדע והטכנולוגיה של רדיואיזוטופים של ORNL; מאט סילבירה ושלי ואקליב מחטיבת עיבוד וייצור איזוטופים של ORNL; דמיטרו בייקוב מהמרכז הלאומי למדעי החישוב ב-ORNL; וברוס ראוול מהמכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה.

עבודה זו נתמכה בעיקר בשיתוף משרד המדע של DOE עבור סינתזת ליגנדים, מחקרים של מורכבות לנתנידים, תהליכי התגבשות, ניתוחים ספקטרוסקופיים ומאמצי הדמיה. הייצור, הטיהור וההכנה של דגימת הפרומתיום נתמכו על ידי תוכנית האיזוטופים של DOE, המנוהלת על ידי משרד המדע למו"פ וייצור איזוטופים. איסוף וחידוד נתוני עקיפה של קרני רנטגן חד-גביש נתמכו על ידי משרד המדע של DOE.