Tajemství radioaktivního promethia

Pomocí nové metody odhalili vědci klíčové vlastnosti radioaktivního promethia, prvku vzácných zemin. Stalo se tak až téměř osm desetiletí poté, co byl tento nepolapitelný prvek vzácných zemin objeven. Promethium je jedním z 15 lanthanoidových prvků ve spodní části periodické tabulky. Tyto kovy, známé také jako vzácné zeminy, vykazují řadu užitečných vlastností, včetně silného magnetismu a neobvyklých optických vlastností, což je činí zvláště důležitými pro moderní elektronická zařízení. "Používají se v laserech, jsou součástí obrazovek vašeho smartphonu, používají se také ve velmi silných magnetech ve větrných turbínách a elektrických vozidlech," řekl Ilja Popovs, člen výzkumného a vývojového týmu v Oak Ridge National Laboratory (ORNL) a spoluautor nové studie publikované v časopise Nature.

Vzácné a obtížně studovatelné

Samotné promethium, které objevili vědci z ORNL v roce 1945, se v přírodě prakticky nevyskytuje, jen v ultrastopových množstvích jako výsledek rozpadů v uranových řadách. Obsah promethia v zemské kůře je neměřitelně nízký. O jeho výskytu ve vesmíru víme díky spektrální analýze některých hvězd. V praxi má jen několik drobných aplikací v atomových bateriích a v diagnostice rakoviny. Existují jen velmi omezené znalosti o chemickém složení prvku, což zatím vylučuje jeho širší použití.

Objev prvku 61

Při práci na grafitovém reaktoru ORNL vytvořili Jacob Marinsky a Lawrence Glendenin nový prvek vzácných zemin s atomovým číslem 61. Podařilo se to bombardováním neodymu neutrony vzniklými v reaktoru při štěpení uranu. Experiment provedli v r. 1945, svoje poznatky však publikovali až o dva roky později.

Studium radioaktivního prvku trvalo desítky let, částečně kvůli potížím se zajištěním vhodného vzorku. Promethium je vzácné a obtížně se studuje, nemá stabilní izotop - všechny jeho izotopy jsou radioaktivní (je jich známo 38), což znamená, že se časem rozpadají na jiné prvky. Všechny známé izotopy jsou beta zářiče, např. ¹⁴⁵Pm s poločasem 17,7 let, ¹⁴⁶Pm s poločasem 5,53 let a ¹⁴⁷Pm s poločasem 2,62 roku, ¹⁴⁴Pm s poločasem 363 dnů, ¹⁴³Pm s poločasem 265 dnů.

ORNL je v současnosti jediným americkým výrobcem promethia-147, izotopu prvku s radioaktivním poločasem rozpadu 2,62 roku. Pomocí metody vyvinuté v loňském roce vědci oddělili tento izotop ze štěpných produktů z jaderného reaktoru a vytvořili tak nejčistší možný vzorek. Poté zkombinovali tento vzorek s ligandem - molekulou speciálně navrženou k zachycení atomů kovu - aby vytvořili stabilní komplex ve vodě. Koordinační molekula, známá jako PyDGA (bispyrrolidine diglycolamide), vytvořila devět vazeb promethium-kyslík, což výzkumníkům poskytlo vůbec první příležitost analyzovat vazebné vlastnosti komplexu promethia.

Samotná analýza nebyla triviální

Protože promethium je radioaktivní, rozpadá se a přemění se na sousední prvek, kterým je samarium. Ve vzorku vždy bude malé množství kontaminace ve formě samaria. Tým vědců proto použil extrémně specializovanou techniku ​​zvanou synchrotronová rentgenová absorpční spektroskopie. Vysokoenergetické fotony generované urychlovačem částic bombardovaly komplex promethia, aby vytvořily obrázek o pozicích atomů a délkách vazeb. Jemné rozdíly v délkách vazeb kov-kyslík pak umožnily týmu zaměřit se na klíčovou vazbu promethium-kyslík, přičemž se nepočítalo s jakýmkoli kontaminujícím samariem. Poprvé bylo možné srovnání vlastností promethia s jinými komplexy vzácných zemin. "Promethium byl poslední dílek skládačky mezi těmito prvky," řekl Popovs. Ligand poskytl způsob, jak mít stabilní komplex pro všechny lanthanoidy – stejné poměry prvků a stejný druh geometrie. To umožnilo týmu studovat základní fyzikálně chemické vlastnosti těchto komplexů v celé sérii,“ vysvětlil Popovs.

Lanthanoidy se přirozeně vyskytují jako směsi prvků, takže pochopení periodických trendů, jako jsou délky vazeb a chování při vytváření komplexů, pomáhá vědcům vyvinout nové a účinnější metody k oddělení těchto cenných kovů.

Nyní tým ORNL studuje promethium ve vodě, aby si vytvořil jasnější obraz koordinačního prostředí a chemického chování tohoto neobvyklého prvku. "Doufáme, že základní poznatky, které poskytujeme, informují ostatní vědce o tom, jak navrhnout lepší separační technologie, a možná mohou podnítit větší zájem o jejich studium pro jiné aplikace," řekl Popovs. 

Zdroj: Tajemství radioaktivního "promethia" – prvku vzácných zemin se záhadným využitím – odhalena po 80 letech hledání | Živá věda (livescience.com)