Le prométhium a été découvert en 1945 aux laboratoires Clinton, aujourd'hui laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie, et continue d'être produit à l'ORNL en quantités infimes. Certaines de ses propriétés sont restées insaisissables malgré l’utilisation de l’élément terre rare dans des études médicales et dans les batteries nucléaires à longue durée de vie. Il porte le nom du Titan mythologique qui a livré le feu aux humains et dont le nom symbolise l'effort humain.

"L'idée était d'explorer cet élément très rare pour acquérir de nouvelles connaissances", a déclaré Alex Ivanov, un scientifique de l'ORNL qui a codirigé la recherche. "Une fois que nous avons réalisé que cette substance avait été découverte dans ce laboratoire national et à l'endroit où nous travaillons, nous nous sommes sentis obligés de mener cette recherche pour préserver l'héritage de l'ORNL."

L’équipe de scientifiques dirigée par l’ORNL a préparé un complexe chimique de prométhium, qui a permis pour la première fois sa caractérisation en solution. Ainsi, ils ont dévoilé les secrets de ce lanthanide extrêmement rare, dont le numéro atomique est 61, dans une série d'expériences méticuleuses.

Leur étude, publiée dans la revue Nature , marque une avancée significative dans la recherche sur les terres rares et pourrait réécrire les manuels de chimie.

"Parce qu'il ne possède pas d'isotopes stables, le prométhium a été le dernier lanthanide découvert et a été le plus difficile à étudier", a déclaré Ilja Popovs de l'ORNL, qui a codirigé la recherche. La plupart des éléments des terres rares sont les lanthanides, éléments allant du 57 (lanthane) au 71 (lutetium) du tableau périodique. Ils ont des propriétés chimiques similaires mais diffèrent par leur taille.

Les 14 autres lanthanides sont bien compris. Ce sont des métaux dotés de propriétés utiles qui les rendent indispensables dans de nombreuses technologies modernes. Ce sont des bêtes de somme pour des applications telles que les lasers, les aimants permanents dans les éoliennes et les véhicules électriques, les écrans à rayons X et même les médicaments anticancéreux.

"Il existe des milliers de publications sur la chimie des lanthanides sans prométhium. C'était une lacune flagrante pour l'ensemble de la science", a déclaré Santa Jansone-Popova de l'ORNL, qui a codirigé l'étude. "Les scientifiques doivent assumer la plupart de ses propriétés. Nous pouvons désormais mesurer certaines d'entre elles."

La recherche s'est appuyée sur des ressources et une expertise uniques disponibles dans les laboratoires nationaux du DOE. En utilisant un réacteur de recherche, des cellules chaudes et des superordinateurs, ainsi que les connaissances et compétences accumulées de 18 scientifiques dans différents domaines, les auteurs ont détaillé la première observation d'un complexe de prométhium en solution.

Les scientifiques de l'ORNL ont lié, ou chélaté, le prométhium radioactif avec des molécules organiques spéciales appelées ligands diglycolamide. Ensuite, à l'aide de la spectroscopie à rayons X, ils ont déterminé les propriétés du complexe, notamment la longueur de la liaison chimique du prométhium avec les atomes voisins :une première pour la science et une pièce manquante de longue date dans le tableau périodique des éléments.

Le prométhium est très rare; seulement une livre environ est présente naturellement dans la croûte terrestre à un moment donné. Contrairement à d'autres éléments des terres rares, seules des quantités infimes de prométhium synthétique sont disponibles car il ne contient pas d'isotopes stables.

Pour cette étude, l’équipe de l’ORNL a produit l’isotope prométhium-147, avec une demi-vie de 2,62 ans, en quantité suffisante et avec une pureté suffisamment élevée pour étudier ses propriétés chimiques. ORNL est le seul producteur de prométhium 147 aux États-Unis.

L'équipe a notamment fourni la première démonstration d'une caractéristique de la contraction des lanthanides en solution pour toute la série des lanthanides, y compris le prométhium, de numéro atomique 61. La contraction des lanthanides est un phénomène dans lequel les éléments dont le numéro atomique est compris entre 57 et 71 sont plus petits que prévu. /P>

À mesure que le numéro atomique de ces lanthanides augmente, les rayons de leurs ions diminuent. Cette contraction crée des propriétés chimiques et électroniques distinctes car la même charge est limitée à un espace rétrécissant. Les scientifiques de l'ORNL ont reçu un signal clair sur le prométhium, ce qui leur a permis de mieux définir la forme de la tendance à travers la série.

"C'est vraiment étonnant d'un point de vue scientifique. J'ai été frappé une fois que nous avons eu toutes les données", a déclaré Ivanov. "La contraction de cette liaison chimique s'accélère le long de cette série atomique, mais après le prométhium, elle ralentit considérablement. Il s'agit d'une étape importante dans la compréhension des propriétés de liaison chimique de ces éléments et de leurs changements structurels le long du tableau périodique."

Beaucoup de ces éléments, comme ceux des séries des lanthanides et des actinides, ont des applications allant du diagnostic et du traitement du cancer aux technologies d'énergies renouvelables et aux batteries nucléaires à longue durée de vie pour l'exploration de l'espace lointain.

Selon Jansone-Popova, cette réalisation facilitera entre autres la tâche difficile de séparation de ces éléments précieux. L'équipe travaille depuis longtemps sur la séparation de toute la série des lanthanides, "mais le prométhium était la dernière pièce du puzzle. C'était assez difficile", a-t-elle déclaré.

"Vous ne pouvez pas utiliser tous ces lanthanides en mélange dans les technologies modernes de pointe, car il faut d'abord les séparer. C'est là que la contraction devient très importante; elle nous permet fondamentalement de les séparer, ce qui reste une tâche assez difficile." /P>

L'équipe de recherche a utilisé plusieurs installations de premier plan du DOE dans le cadre du projet. À l'ORNL, le prométhium a été synthétisé au High Flux Isotope Reactor, une installation utilisateur du DOE Office of Science, et purifié au Radiochemical Engineering Development Center, une installation polyvalente de traitement radiochimique et de recherche.

Ensuite, l'équipe a effectué une spectroscopie d'absorption des rayons X à la National Synchrotron Light Source II, une installation utilisateur du Bureau des sciences du DOE au laboratoire national de Brookhaven du DOE, travaillant spécifiquement sur la ligne de lumière pour la mesure des matériaux.

L'équipe a également effectué des calculs de chimie quantique et des simulations de dynamique moléculaire au Oak Ridge Leadership Computing Facility, une installation utilisateur du DOE Office of Science à ORNL, en utilisant le superordinateur Summit du laboratoire, la seule ressource informatique capable de fournir les calculs nécessaires à l'époque. /P>

De plus, les chercheurs ont utilisé les ressources du Compute and Data Environment for Science de l’ORNL. Ils s'attendent à ce que les futurs calculs soient effectués sur Frontier d'ORNL, le supercalculateur le plus puissant au monde et le premier système exascale, capable d'effectuer plus d'un quintillion de calculs chaque seconde.

Popovs a souligné que les réalisations menées par l'ORNL peuvent être attribuées au travail d'équipe. Chacune des Nature Les 18 auteurs de l'article ont été essentiels au projet, a-t-il déclaré.

Cette réalisation ouvre la voie à une nouvelle ère de recherche, ont déclaré les scientifiques. "Tout ce que nous qualifierions de merveille technologique moderne inclurait, sous une forme ou une autre, ces éléments de terres rares", a déclaré Popovs. "Nous ajoutons le chaînon manquant."