解开最后一个镧系元素

由美国能源部(DOE)橡树岭国家实验室(ORNL)领导的一组科学家最近能够观察到钷在水溶液中是如何形成化学键的。

　　

证明一个假设是令人兴奋的，但目睹一些以前从未见过的东西将这一发现提升为难忘的经历。由美国能源部(DOE)橡树岭国家实验室(ORNL)领导的一组科学家最近能够分享这种罕见的感觉，因为他们观察了更罕见的元素钷在水溶液中如何形成化学键。该团队使用了材料测量光束线(BMM， Beamline for Materials Measurement )，这是由美国国家标准与技术研究所资助和运营的光束线，位于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（NSLS-II）。

尽管稀有，但钷有一些有趣的应用，包括制造专门的夜光涂料、放射治疗和用于起搏器、航天器等的长效原子电池。由于它的高度不稳定性，这种放射性金属还有很多未知之处。了解其复杂的化学性质可以为更多独特的用途和引人入胜的后续研究铺平道路。

钷被称为“镧系元素”或“稀土金属”。这种金属是占据元素周期表底部的15种元素之一，原子序数为57到71。虽然这些金属的外观和触感都非常相似，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“镧系元素收缩”的现象。这些元素的原子和离子半径据说会随着原子序数的增加而减小，就像元素周期表中的其他元素一样。因此，当你沿着序列移动时，原子会变小。科学家们还没有在所有的镧系元素溶液中实验观察到这一点，直到现在。这项突破性研究的结果最近发表在《自然》杂志上。

稀缺性、时效性和紧张的物流

在任何给定的时间，地球上通常只有一磅多一点的这种元素处于自然状态。钷是放射性的，但它的半衰期非常短。这在很大程度上导致了它的稀缺。钷同位素中最长的半衰期是钷-145，只有17.7年。ORNL利用生产用于太空探索的钚的副产品，制造出半衰期为2.6年的钷-147样本。一旦时钟开始滴答作响，样品立即开始衰变为更稳定的元素钐。

样本从ORNL开始，在那里，科学家们从高通量同位素反应堆的废物流中提取物质，并开始从其他废物中分离钷。安全包装样品，把它从田纳西运到纽约，NSLS-II接受后在BMM上进行实验，这一切都需要时间，而时间会带走宝贵的钷。

一系列激动人心的第一次

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。为了做到这一点，他们使用了一种叫做双吡咯烷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。研究小组将样品带到BMM，使用x射线吸收光谱(XAS)进行测量。x射线吸收光谱是一种成熟的同步加速器技术，通过将x射线照射在样品上并测量样品的成分如何吸收x射线来确定材料中原子的结构和性质。不同的原子吸收特定能量的x射线，这使科学家能够确定存在哪些元素以及它们在材料中的排列方式。

BMM的首席光束线科学家、该研究的合著者Bruce Ravel说:“我们在BMM上有地球上大约40%或50%的纯化钷库存可供研究。”“几周后，钷样品就不能再用了，主要是因为溶液中的水蒸发了。当然，这项研究很有趣，但整个过程也很有趣。为了实现这一目标，需要进行大量的后勤规划和协调，每个参与者都非常努力地让这个实验的每一个环节都能快速、仔细地到位。”

“据我们所知，这是任何人，在任何地方，在任何同步加速器上，第一次用XAS测量元素钷，”Ravel说。“我们是第一个看到这样的光谱的人，这本身就非常非常酷。我用XAS做了很长时间的研究，我从未见过别人从未见过的东西。”

在这个溶液中，钷离子与九个相邻的氧原子形成键。在分析和测量了这个复合物之后，研究小组能够将这个结果匹配到其他镧系元素系列中，观察到它符合理论上的收缩模式。

获得这个缺失的部分可以让团队从整体上分析这个系列，它有自己有趣的模式。在系列开始时，键的缩短速度相当快，但对于钷之后较重的镧系元素，键的缩短更为稳定。揭示钷本身的化学性质打开了一个新的研究领域的可能性，但获得对镧系元素更全面的了解，完成了一个相当长一段时间以来缺失的拼图。

Ravel说:“在这种情况下，我们的测量结果符合我们的预期，这是根据科学和我们对镧系元素系列的了解得出的。”“但我们测量了一些以前从未测量过的极其困难的东西。有实际的知识，而不是推论，是好的科学。在我们关于镧系元素如何工作的集体知识中填补这一空白是非常重要的。”