Впервые ученым удалось раскрыть основные свойства загадочного радиоактивного вещества под названием прометий спустя почти восемь десятилетий после его открытия. Этот редкоземельный элемент, открытый в 1945 году, входит в группу элементов, которые особенно важны для современных технологий.
Что такое прометий?
Прометий — один из пятнадцати лантаноидов, расположенных в нижней части периодической таблицы. Лантаниды, также известные как редкоземельные элементы, обладают уникальными свойствами, такими как сильный магнетизм и особые оптические характеристики.
Благодаря своим исключительным свойствам редкоземельные элементы используются во многих областях техники. Они играют важнейшую роль в работе лазеров, экранов смартфонов и мощных магнитов, используемых в ветряных турбинах и электромобилях. Однако, несмотря на свое название, некоторые из них не так уж редки. Однако их извлечение и разделение часто бывает сложным и дорогостоящим.
Революционное исследование
Изучение прометия долгое время было проблемой, в основном из-за его радиоактивности. В отличие от других элементов, у прометия нет стабильного изотопа, а это значит, что со временем он распадается на другие элементы. Это затрудняет получение подходящих образцов для изучения. Этот редкий элемент обычно производится в процессе деления в ядерных реакторах.
Национальная лаборатория Оук-Ридж (ORNL) в США — единственный американский производитель прометия-147, изотопа с периодом полураспада 2,6 года. Используя недавно разработанный метод, исследователи смогли выделить этот изотоп из отходов ядерных реакторов и получить максимально чистый образец.
Затем ученые соединили образец прометия с молекулой, называемой лигандом, которая предназначена для захвата атомов металла и образования стабильного комплекса в воде. Эта координационная молекула, известная как PyDGA, создала девять связей между прометием и кислородом, предоставив ученым уникальную возможность проанализировать связывающие свойства этого элемента.
Рентгеновская абсорбционная спектроскопия
Для анализа свойств прометия исследователи использовали высокотехнологичный и специализированный метод — рентгеновскую абсорбционную спектроскопию на синхротроне. В этом методе используются высокоэнергетические фотоны — частицы света, генерируемые ускорителем частиц — сложной машиной, которая разгоняет частицы до чрезвычайно высоких скоростей.
Более конкретно, рентгеновская абсорбционная спектроскопия работает путем измерения того, как фотоны поглощаются атомами в образце. Когда фотоны попадают на атомы прометия, они возбуждают электроны в этих атомах, заставляя их переходить на более высокие энергетические уровни. Анализируя картину поглощения рентгеновских лучей, ученые могут определить точное положение атомов в образце и измерить длину связей между атомами прометия и другими атомами, например кислорода, в образовавшемся комплексе.
Другими словами, этот метод позволяет выделить специфические связи прометия даже в присутствии других элементов, которые могут загрязнять образец. В данном случае потенциальную помеху мог создать самарий, элемент, соседствующий с прометием в периодической таблице. Однако благодаря высокой точности рентгеновской абсорбционной спектроскопии ученые смогли исключить любое загрязнение самарием, гарантируя, что полученные данные получены исключительно из прометия.
Открытия и их последствия
Данные, полученные в результате анализа, позволили ученым сравнить свойства прометия со свойствами других элементов из ряда лантаноидов. Поняв, как прометий связывается с другими атомами, в частности с кислородом, исследователи смогут увидеть, как он сопоставляется с другими лантанидами по длине связей, прочности связей и химическому поведению.
Такое сравнение крайне важно, поскольку редкоземельные металлы часто обладают схожими свойствами, но тонкие различия могут влиять на их использование в различных технологических приложениях. Например, различия в способах соединения элементов могут влиять на их магнитные или оптические свойства, а также на способность катализировать химические реакции. Заполнив таблицу химических свойств лантанидов, ученые смогут лучше понять периодические тенденции и вариации между этими элементами.
Понимание этих связывающих и координационных свойств поможет разработать новые методы более эффективного разделения этих ценных элементов. Разделение редкоземельных элементов, которые часто встречаются вместе в рудах, часто бывает дорогостоящим и сложным. Поэтому информация, полученная в ходе данного исследования, может привести к созданию более эффективных технологий разделения, которые позволят снизить затраты и повысить эффективность добычи.
Открытия, сделанные в этом исследовании, не ограничиваются разделением редкоземельных металлов. Они также могут проложить путь к новым применениям прометия и других лантанидов. Например, лучшее понимание химического состава прометия может позволить использовать его в новых технологиях или улучшить его существующее применение в атомных батареях и медицинской диагностике.
Кроме того, эти достижения могут привести к росту интереса к изучению прометия и подобных элементов, побуждая больше исследователей изучать эти области. Это может привести к еще более значительным открытиям, которые обогатят наше понимание химии редкоземельных элементов и их потенциального применения.
