Probar una hipótesis puede ser emocionante, pero observar algo que nunca antes se ha visto hace que el descubrimiento sea una experiencia inolvidable. Un equipo de científicos dirigido por el Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) pudo recientemente compartir este descubrimiento poco común al observar cómo el elemento raro prometio se une químicamente cuando se coloca en una solución acuosa. El equipo utilizó la línea de luz para medición de materiales (BMM), una línea de luz financiada y operada por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, en la Fuente Nacional de Luz Sincrotrón II, oficina del DOE en el Laboratorio Nacional de Brookhaven.
A pesar de su rareza, el prometio tiene algunas aplicaciones interesantes, incluida pintura especial que brilla en la oscuridad, radioterapia y baterías atómicas de larga duración para marcapasos, naves espaciales y más. Debido a su alta volatilidad, todavía hay mucho que se desconoce sobre este metal radiactivo. Comprender su compleja química puede allanar el camino para usos aún más exclusivos y estudios de seguimiento interesantes.
El prometio es lo que se conoce como “lantánido” o “metal de tierras raras”. Este metal es uno de los 15 elementos que ocupan la mitad inferior de la tabla periódica y tiene números atómicos del 57 al 71. Si bien estos metales se parecen bastante entre sí, todos tienen propiedades magnéticas y electrónicas únicas. Estas propiedades únicas pueden surgir de un fenómeno conocido como “contracción de lantánidos”. Se dice que estos elementos disminuyen en sus radios atómicos e iónicos a medida que aumenta su número atómico, al igual que otros grupos de la tabla periódica. Como resultado, los átomos se hacen más pequeños a medida que se avanza en la serie. Los científicos aún no han observado esto experimentalmente en todos los lantánidos en solución. Los resultados de este importante estudio se publicaron recientemente. la naturaleza.
Escasez, tiempo y logística ajustada
En un momento dado, normalmente hay sólo un poco más de una libra de este elemento en su estado natural en la Tierra. El prometio es radiactivo, pero tiene una vida media increíblemente corta. Esto juega un papel importante en su declive. La vida media más larga del isótopo de prometio, prometio-145, es de sólo 17,7 años. ORNL pudo crear una muestra de prometio-147, que tiene una vida media de 2,6 años, utilizando un subproducto de la producción de plutonio para la exploración espacial. Una vez que el reloj comienza a correr, la muestra inmediatamente comienza a caer en el elemento más estable samario.
“Teníamos entre el 40 y el 50 por ciento del prometio purificado del planeta para estudiar”, comentó Bruce Revel, científico principal de líneas de luz de BMM y coautor del estudio. “Después de unas semanas, la muestra de prometio ya no era utilizable, principalmente porque el agua de la solución se había evaporado. La investigación fue interesante, por supuesto, pero todo el proceso de realización también lo fue. Hubo muchas cosas. Hubo Hay mucho que hacer. “La planificación y coordinación de la logística son esenciales, y todos los involucrados trabajaron muy duro para realizar cada parte de la experiencia de manera rápida y cuidadosa”.
La muestra comenzó en ORNL, donde los científicos extrajeron material de los desechos del reactor de isótopos de alto flujo y comenzaron a separar el prometio del resto de los desechos. Se necesita tiempo para empaquetar de manera segura la muestra, transportarla de Tennessee a Nueva York, aceptarla en NSLS-II y luego realizar experimentos en la línea de luz, y el tiempo requiere un preciado prometio.
Una serie de novedades interesantes
Para estudiar la composición química del prometio, los científicos primero tuvieron que estabilizarlo en agua. Para ello, utilizaron un ligando soluble en agua llamado bispirrolidina diglicolamida. Los ligandos son moléculas especiales que se unen a átomos metálicos. A partir de ahí, el equipo llevó la muestra al BMM para medirla mediante espectroscopia de absorción de rayos X (XAS), una técnica de sincrotrón bien establecida que enfoca la luz de rayos X en una muestra para determinar la estructura y las propiedades de los átomos en un material. mediante pulido. Una medida de cómo los componentes de la muestra absorben los rayos X. Diferentes átomos absorben rayos X con energías específicas, lo que permite a los científicos identificar qué elementos están presentes y cómo están dispuestos en el material.
“Hasta donde sabemos, esta fue la primera vez que alguien, en cualquier lugar, midió el elemento prometio con XAS en cualquier sincrotrón”, comentó Revell. “Somos las primeras personas en ver un espectro como este, lo cual en sí mismo fue realmente genial. He estado investigando usando XAS durante mucho tiempo y nunca he visto nada que nadie más haya visto. Visto. Visto eso antes.”
En esta solución, el ion prometio forma enlaces con nueve átomos de oxígeno vecinos. Tras analizar y medir el complejo, el equipo pudo extrapolar este resultado al resto de la serie de lantánidos, observando que se ajustaba al patrón de contracción predicho por la teoría.
Encontrar esta pieza faltante permitió al equipo analizar la serie en su conjunto, que tenía un patrón propio interesante. El acortamiento de los enlaces fue bastante rápido al comienzo de la serie, pero para los lantánidos más pesados después del prometio, la longitud del enlace se acortó de manera más constante. Desentrañar las propiedades químicas del prometio abre un nuevo ámbito de posibilidades de investigación, pero obtener una comprensión más completa de los lantánidos completa un rompecabezas al que durante mucho tiempo le faltaba una pieza.
“Esta fue una situación en la que las mediciones que hicimos coincidieron con nuestras expectativas, que estaban basadas en la ciencia y nuestro conocimiento de la serie de lantánidos”, dijo Revell. “Pero medimos algo muy difícil que nunca antes se había medido. Tener conocimiento real, en lugar de conjeturas, es cómo se hace buena ciencia. La importancia de llenar este vacío en nuestro conocimiento colectivo. ¿Cómo funcionan los lantánidos? He sido un científico durante 30 años y nunca corrió por la calle gritando: ‘¡Eureka!’ Fue un éxito, pero no fue una gran sorpresa cuando alguien dijo: ‘¡Eureka!’ Es cuando alguien dice: ‘Eh, eso es raro’.
