钷：没有稳定同位素的稀土元素

科学家首次对钷配位化合物进行了表征，加深了对具有挑战性的镧系元素的理解。钷是一种稀土元素，其独特之处在于缺乏稳定的同位素。因此，它会不断衰变，这给研究带来了挑战。在这项研究中，科学家成功分离出同位素钷-147 的纯样本，并将其与分子结合，在水中形成稳定的复合物。然后，他们使用 X 射线吸收光谱分析化合物的结构并检查其化学键合。

概念艺术展示了稀土元素钷在小瓶中被有机配体包围。科学家发现了钷的隐藏特征，为研究其他镧系元素开辟了道路。图片来源：Jacquelyn DeMink，艺术；Thomas Dyke，摄影；ORNL，美国能源部

由于钷在发光涂料、照明和核电池中的应用，对钷的需求正在增长。核电池为心脏起搏器、导弹、通讯设备和其他技术等设备提供动力。此外，钷还显示出在放射性成像和癌症治疗方面的应用潜力。钷属于镧系元素，镧系元素由 15 种化学性质相似且难以分离的金属元素组成。

了解钷的化学性质可以改进分离方法，为新应用打开大门，促进生产更纯、更大量的钷元素。目前，能源部同位素计划是全球唯一的钷-147 生产商。

科学家使用一种已知能与钷类似元素形成化合物的有机分子，并将其与水溶液中的钷结合。这样就形成了一种稳定的化合物，研究人员可以利用 X 射线吸收光谱测量钷与其所连接的氧原子之间的键长。研究人员能够研究钷复合物的电子结构，从而提供有关钷的化学和物理性质以及这些性质与其他镧系元素的不同之处的新信息。

钷与其他镧系元素之间的差异尤其重要，因为科学家们发现，在镧系元素中，元素和分子之间的键随着原子序数的增加而变短——直到元素 61，钷。对于钷和原子序数较高的镧系元素，离子半径的收缩速度减慢，键长减少的速度也较慢。了解这种化学反应可以带来更好的分离方法，而这是增加钷产量所必需的。

这项工作主要由美国能源部 (DOE) 科学办公室、基础能源科学办公室化学科学、地球科学和生物科学部以及材料科学与工程部共同赞助，用于配体合成、镧系元素络合研究、结晶过程、光谱分析和模拟工作。钷样品的生产、纯化和制备由美国能源部同位素计划支持，该计划由科学办公室下属的同位素研发和生产办公室管理。单晶 X 射线衍射数据的收集和细化由美国能源部科学办公室、基础能源科学办公室化学科学、地球科学和生物科学部支持。

DOI：10.1038/s41586-024-07267-6

编译自/ScitechDaily