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美国能源部橡树岭国家实验室的一个研究小组观察到了钷在水溶液中的成键行为，这在稀有元素中尚属首次。钷是一种镧系元素，它与氧的成键形式非常独特，这为我们深入了解镧系元素的收缩提供了线索，也为稀土金属化学开辟了新的研究途径。
这一突破性发现是利用美国国家标准与技术研究院资助和运营的材料测量光束线（BMM）在美国国家同步辐射光源 II（位于美国能源部布鲁克海文国家实验室的能源部科学办公室用户设施）上完成的。
虽然钷很稀有，但它有几种有趣的应用，包括制造夜光漆、放射治疗、心脏起搏器和航天器的长效原子电池。由于钷极不稳定，人们对这种放射性金属仍有许多未知之处。了解其复杂的化学性质可以为更独特的用途和引人入胜的后续研究铺平道路。
图为布鲁斯-拉威尔在材料测量光束线。图片来源：Kevin Coughlin/布鲁克海文国家实验室
钷被称为"镧系元素"或"稀土金属"。这种金属是元素周期表中位于下部、原子序数为 57 到 71 的 15 种元素之一。虽然这些金属的外观和感觉相当相似，但它们都具有独特的磁性和电子特性。这些独特的性质可能源于一种被称为"镧系收缩"的现象。据说，尽管原子序数在增加，但这些元素的原子半径和离子半径却在减小，这与元素周期表中的其他组别很相似。因此，随着原子序数的增加，原子的体积也会变小。科学家们直到现在才在溶液中的所有镧系元素中实验观察到这一现象。这一突破性研究成果最近发表在《自然》杂志上。
在任何时候，地球上自然存在的这种元素通常只有一磅多一点。钷具有放射性，但它的半衰期极短。这在很大程度上决定了它的稀缺性。钷同位素钷-145 的最长半衰期只有 17.7 年。ORNL 利用生产用于太空探索的钚的副产品，制造出了一个半衰期为2.6 年的钷-147 样品。一旦时钟开始滴答作响，样品就会立即开始衰变为更稳定的元素钐。
本图显示了（a）纯化的钷盐照片和（b）描述钷原子与配体结合的分子结构的图形，配体由两个酰胺羰基氧原子和一个醚氧原子组成。资料来源：橡树岭国家实验室
BMM光束线首席科学家、本研究的共同作者布鲁斯-拉威尔（Bruce Ravel）说："我们在光束线研究了地球上大约40%或50%的纯化钷。几周后，钷样品已无法使用，主要原因是溶液中的水分蒸发了。当然，这项研究很有趣，但实现它的整个过程也很有趣。要实现这一目标，需要进行大量的后勤规划和协调工作，每个参与其中的人都非常努力，以便快速、仔细地完成这项实验的每一项工作。"
样品从 ORNL 开始，科学家们从高通量同位素反应堆的废料流中提取材料，并开始将钷从其他废料中分离出来。安全包装样品、将其从田纳西州运到纽约、让 NSLS-II 接收、然后在光束线进行实验，所有这些都需要时间，而时间会带走宝贵的钷。
为了研究钷的化学结构，科学家们必须首先将其稳定在水中。为此，他们使用了一种名为双吡咯烷二乙二醇酰胺的水溶性配体。配体是与金属原子结合的特殊分子。XAS是一种成熟的同步加速器技术，它通过将X射线照射到样品上并测量样品成分对X射线的吸收情况来确定材料中原子的结构和性质。不同的原子以特定的能量吸收 X 射线，这样科学家就能确定材料中存在哪些元素以及它们是如何排列的。
"据我们所知，这是第一次有人在任何地方、任何同步加速器上用 XAS 测量钷元素，"拉威尔说。"我们是有史以来第一次看到这样的光谱，这本身就非常非常酷。我使用 XAS 进行研究已经有很长一段时间了，但我从未见过别人从未见过的东西。"
在这种溶液中，钷离子与邻近的九个氧原子形成了结合。在分析和测量了该复合物后，研究小组能够将这一结果与其余的镧系元素系列联系起来，观察到它符合理论上的收缩模式。
获得了这一缺失的部分，研究小组就可以对整个系列进行分析，这其中有着自己有趣的模式。在系列开始时，键的缩短速度相当快，但在钷之后的较重镧系元素中，键的长度缩短得更加稳定。揭示钷的化学性质本身就开辟了一个新的研究领域，而对镧系元素更全面的了解则完成了一个缺失已久的难题。
编译自/scitechdaily
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