鉕（Pm）是一種罕見的放射性元素。1945年，它首次在實驗室中被發現，是鑭系元素（原子序數從57到71）中最後被發現的元素。儘管鉕的原子序數相對較低（61），但多年來，它的特性一直難以捉摸，原因之一是，它是唯一一種沒有穩定同位素的元素。
現在，在這種稀有而神秘的元素被發現80年後，科學家終於揭開了它的一些秘密。在一項新發表於《自然》雜誌的研究中，一組科學家通過製備一種鉕的化學「複合物」，首次在溶液中對這種元素的元素進行了描述。
難以捉摸的重要元素
鑭系元素具有非常相似的化學性質，這也是它們很難被分離的部分原因。科學家已經對絕大部分鑭系元素進行了廣泛研究，並將它們應用在許多現代技術上，比如鐳射、風力渦輪機、電動汽車、X射線螢幕甚至抗癌藥物等。
然而，鉕卻在鑭系元素的實驗研究中明顯缺席了。鉕是一種高放射性的鑭系元素，地殼中自然產生的鉕非常稀有。而且，由於鉕沒有穩定的同位素，因此可用的合成鉕也非常微少。
在這項研究中，研究團隊生產了半衰期為2.62年的放射性同位素鉕-147，其數量和純度足以讓研究人員分析其化學性質。像所有其他鑭系元素一樣，鉕也傾向於形成帶3個正電荷的離子。
鉕在一個被有機配體包圍的小瓶子裡。（圖/Jacquelyn DeMink & Thomas Dyke / ORNL, U.S. Dept. of Energy）
研究人員將這些離子與一種名為二甘醇胺配體的有機分子在水溶液中結合，這種配體中含有三個富含電子的氧原子。三個這樣的配體與每個鉕離子結合，生成了包含9個鉕-氧鍵的複合物。然後，利用X射線光譜學，研究人員確定了這種複合物的性質，比如鉕與氧之間的化學鍵鍵長。
觀察缺失的收縮
為了觀察這種複合物是如何形成的，研究人員還將相同的配體與其他鑭系元素結合在一起。這使得研究人員首次揭示了所有鑭系元素在溶液中收縮的特徵，填補了鑭系元素研究中的重大空白。
所謂鑭系元素收縮，指的是鑭系元素的原子半徑和離子半徑在總體上比預期值小的現象。隨著這些鑭系元素的原子序數增加，它們的原子和離子大小會不斷減小。這種收縮產生了許多獨特的化學和電子特性。
在這項研究中，研究人員清晰地觀察到，鑭系元素與氧之間的化學鍵的收縮，會隨著原子序列的增加而加速，但是在鉕之後，這種收縮率會大大減緩。
里程碑式的突破
鉕對醫學研究和長壽命核電池具有重要意義。但長期以來，科學家對於鉕的大部分特性都只能進行假設。新的研究成果是理解鑭系元素的化學鍵性質以及它們在元素週期表上的結構變化的一個重要里程碑，使得科學家可以更全面地理解鑭系元素收縮現象。
此外，這一成就還能減輕分離這些鑭系元素的難度，為分離這些元素帶來更好的方法，例如從核廢料中分離鉕和類似元素。一直以來，科學家都試圖能夠分離出整個鑭系元素系列，鉕是其中的最後缺失的一塊。
研究人員強調，這一成就可以歸功於團隊合作。首先，鉕是在高通量同位素反應堆合成的，並在放射化學工程開發中心進行純化。然後，通過利用布魯克海文國家實驗室的國家同步加速器光源II，他們對其進行了X射線吸收光譜研究。與此同時，研究人員還利用計算設施進行了量子化學計算和分子動力學模擬。
這是一項具有里程碑意義的研究，它填補了化學教科書中長期存在的空白，標誌著鑭系元素研究取得了重大進展。
#創作團隊：
編譯：小雨
排版：雯雯
#參考來源：
https://www.nature.com/articles/d41586-024-01480-z
https://www.ornl.gov/news/promethium-bound-rare-earth-elements-secrets-exposed
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07267-6
#圖片來源：
封面圖&首圖：Jacquelyn DeMink, art; Thomas Dyke, photography/ORNL, U.S. Dept. of Energy