科学家在了解钷的性质方面取得了重大突破，将改写化学教科书

科学家们在了解钷（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，但仍具有难以捉摸的特征。

科学家们发现了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一条新途径。

1945年，钷（Promethium）在克林顿实验室（现在是美国能源部的橡树岭国家实验室）被发现，并继续在ORNL以微量生产。尽管稀土元素被用于医学研究和长寿命核电池，但它的一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的突破性研究

“整个想法是探索这种非常罕见的元素，以获得新的知识，”ORNL的科学家亚历克斯·伊万诺夫（Alex Ivanov）说，他是这项研究的共同负责人。“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，我们就觉得有义务进行这项研究，以维护ORNL的遗产。”

ORNL领导的科学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，他们通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秘密。

他们里程碑式的研究发表在5月22日的《自然》杂志上，标志着稀土研究取得了重大进展，可能会改写化学教科书。

镧系元素的特性

“因为它没有稳定的同位素，钷是最后被发现的镧系元素，也是最难研究的，”ORNL的Ilja Popovs说，他是这项研究的共同负责人。大多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）。它们的化学性质相似，但大小不同。

其他14种镧系元素已经被很好地理解了。它们是具有有用特性的金属，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射线屏幕甚至抗癌药物等应用的主力。

“有成千上万种关于不含钷的镧系元素化学的出版物。这对所有科学来说都是一个明显的差距，”ORNL的Santa Jansone-Popova说，他是这项研究的共同负责人。“科学家必须假设它的大部分特性。现在我们实际上可以测量其中的一些。”

独特的研究能力

这项研究依赖于美国能源部国家实验室提供的独特资源和专业知识。利用研究反应堆、热电池和超级计算机，以及18位不同领域的科学家积累的知识和技能，作者详细描述了首次观察到溶液中的钷复合物。

ORNL的科学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。然后，利用X射线光谱学，他们确定了复合物的性质，包括钷与邻近原子化学键的长度 —— 这是科学上的第一次，也是元素周期表上长期缺失的一部分。

钷非常稀有；在任何给定的时间里，地壳中自然产生的能量只有一磅左右。与其他稀土元素不同，由于没有稳定的同位素，只有微量的合成钷可用。

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，该小组首次展示了镧系元素在溶液中收缩的特征，包括原子序数为61的钷。镧系元素收缩是指原子序数在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加，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，因为相同的电荷被限制在一个缩小的空间内。ORNL的科学家们得到了一个清晰的钷信号，这使他们能够更好地定义整个系列的趋势形状。

“从科学的角度来看，这真的很令人惊讶。当我们掌握了所有的数据后，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重要里程碑。”

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

根据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。该团队长期致力于分离整个镧系元素系列，“但钷是最后一块拼图。这很有挑战性，”她说。“在现代先进技术中，你不能把所有这些镧系元素作为混合物使用，因为首先你需要把它们分离开来。这就是缩略语变得非常重要的地方;它基本上可以让我们把它们分开，这仍然是一项相当艰巨的任务。”

研究小组在这个项目中使用了美国能源部的几个主要设施。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施）合成的，并在放射化学工程开发中心（一个多用途放射化学处理和研究设施）进行纯化。然后，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施）进行了X射线吸收光谱研究，专门研究由美国国家标准与技术研究所资助和运营的材料测量光束线。

该团队还在橡树岭领导计算设施进行了量子化学计算和分子动力学模拟，橡树岭领导计算设施是ORNL的能源部科学办公室用户设施，使用实验室的Summit超级计算机，这是当时唯一能够提供必要计算的计算资源。此外，研究人员还使用了ORNL的科学计算和数据环境资源。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领导的成就可以归功于团队合作。他说，《自然》上那篇论文的18位作者都对这个项目至关重要。

科学家们说，这一成就为研究的新时代奠定了基础。Jansone-Popova说：“任何我们称之为现代科技奇迹的东西，都会以这样或那样的形式包含这些稀土元素。我们正在补充缺失的环节。”

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