Promezio: svelati i segreti dell’elemento raro / Promethium: the secrets of the rare element revealed

Promezio: svelati i segreti dell’elemento raro / Promethium: the secrets of the rare element revealed

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Gli scienziati hanno fatto un passo avanti significativo nella comprensione delle proprietà del promezio, un elemento delle terre rare con caratteristiche sfuggenti nonostante il suo utilizzo nella tecnologia moderna.

Promezio: un elemento raro con nuove implicazioni per la tecnologia.

Gli scienziati hanno scoperto le proprietà di un elemento delle terre rare scoperto per la prima volta 80 anni fa nello stesso laboratorio, aprendo un nuovo percorso per l’esplorazione di elementi critici nella tecnologia moderna, dalla medicina ai viaggi nello spazio.

Il promezio è stato scoperto nel 1945 presso i Clinton Laboratories, ora l’Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell’Energia, e continua a essere prodotto presso l’ORNL in quantità minime. Alcune delle sue proprietà sono rimaste sfuggenti nonostante l’uso dell’elemento delle terre rare negli studi medici e nelle batterie nucleari di lunga durata. Esso prende il nome dal titano mitologico che ha consegnato il fuoco agli esseri umani e. il cui nome simboleggia l’impegno umano.

Alex Ivanov, scienziato dell’ORNL che ha co-diretto la ricerca ha dichiarato: “L’idea era quella di esplorare questo elemento molto raro per acquisire nuove conoscenze. Una volta che ci siamo resi conto che è stato scoperto in questo laboratorio nazionale e nel luogo in cui lavoriamo, abbiamo sentito l’obbligo di condurre questa ricerca per sostenere l’eredità dell’ORNL”.

Il gruppo di scienziati guidato dall’ORNL ha preparato un complesso chimico di promezio, che ne ha consentito la caratterizzazione in soluzione per la prima volta. Così, in una serie di meticolosi esperimenti, hanno svelato i segreti di questo rarissimo lantanide, il cui numero atomico è 61.

Il loro studio fondamentale, pubblicato sulla rivista Nature, segna un progresso significativo nella ricerca sulle terre rare e potrebbe riscrivere i libri di testo di chimica.

Ilja Popovs dell’ORNL, che ha co-diretto la ricerca ha affermato: “Poiché non ha isotopi stabili, il promezio è stato l’ultimo lantanide ad essere scoperto ed è stato il più difficile da studiare”. La maggior parte degli elementi delle terre rare sono i lantanidi, elementi dal 57 – lantanio – al 71 – lutezio – sulla tavola periodica. Hanno proprietà chimiche simili ma differiscono per dimensioni.

Gli altri 14 lantanidi sono stati ben compresi. Sono metalli con proprietà utili che li rendono indispensabili in molte tecnologie moderne. Sono cavalli di battaglia di applicazioni come laser, magneti permanenti nelle turbine eoliche e nei veicoli elettrici, schermi a raggi X e persino medicinali contro il cancro.

Santa Jansone-Popova dell’ORNL, che ha co-condotto lo studio ha spiegato: “Ci sono migliaia di pubblicazioni sulla chimica dei lantanidi senza promezio. Si tratta di un divario evidente per tutta la scienza. Gli scienziati devono assumere la maggior parte delle sue proprietà. Ora possiamo effettivamente misurarne alcuni”.

Promezio: svelata la contrazione dei lantanidi

La ricerca si è basata su risorse e competenze uniche disponibili presso i laboratori nazionali del DOE. Utilizzando un reattore di ricerca, celle calde e supercomputer, nonché le conoscenze e le competenze accumulate da 18 scienziati in diversi campi, gli autori hanno dettagliato la prima osservazione di un complesso di promezio in soluzione.

Gli scienziati dell’ORNL hanno legato, o chelato, il promezio radioattivo con speciali molecole organiche chiamate ligandi diglicolamidici. Quindi, utilizzando la spettroscopia a raggi X, hanno determinato le proprietà del complesso, inclusa la lunghezza del legame chimico del promezio con gli atomi vicini: una novità assoluta per la scienza ed un pezzo mancante di lunga data nella tavola periodica degli elementi.

Il promezio è molto raro, solo circa una libbra si trova naturalmente nella crosta terrestre in un dato momento. A differenza di altri elementi delle terre rare, sono disponibili solo piccole quantità di promezio sintetico poiché non ha isotopi stabili.

Per questo studio, il gruppo dell'ORNL ha prodotto l’isotopo promezio-147, con un’emivita di 2,62 anni, in quantità sufficienti e con una purezza sufficientemente elevata per studiarne le proprietà chimiche. ORNL è l’ unico produttore di promezio-147 negli Stati Uniti.

In particolare, il gruppo ha fornito la prima dimostrazione di una caratteristica della contrazione dei lantanidi in soluzione per l’intera serie degli stessi, compreso il promezio, numero atomico 61. La contrazione dei lantanidi è un fenomeno in cui gli elementi con numeri atomici compresi tra 57 e 71 sono più piccoli del previsto.

All’aumentare del numero atomico, i raggi dei loro ioni diminuiscono. Questa contrazione crea proprietà chimiche ed elettroniche distintive poiché la stessa carica è limitata a uno spazio che si restringe. Gli scienziati dell’ORNL hanno ottenuto un chiaro segnale di promezio, che ha permesso loro di definire meglio la forma della tendenza in tutta la serie.

Ivanov ha affermato: “È davvero sorprendente dal punto di vista scientifico. Sono rimasto colpito quando abbiamo avuto tutti i dati. La contrazione di questo legame chimico accelera lungo questa serie atomica, ma dopo il promezio rallenta notevolmente. Questo è un punto di riferimento importante per comprendere le proprietà dei legami chimici di questi elementi ed i loro cambiamenti strutturali lungo la tavola periodica”.

Molti di questi elementi, come quelli della serie dei lantanidi e degli attinidi, hanno applicazioni che vanno dalla diagnostica e dal trattamento del cancro alle tecnologie delle energie rinnovabili ed alle batterie nucleari di lunga durata per l’esplorazione dello spazio profondo.

Promezio: implicazioni per la tecnologia e la scienza

Secondo Jansone-Popova, questo risultato faciliterà, tra le altre cose, il difficile compito di separare questi preziosi elementi. Il gruppo ha lavorato a lungo sulle separazioni dell’intera serie di lantanidi, ma il promezio era l’ultimo pezzo del puzzle. 

Nel progetto il gruppo di ricerca ha utilizzato diverse strutture DOE di prima qualità. All’ORNL, il promezio è stato sintetizzato presso il reattore isotopico ad alto flusso, una struttura utente del DOE Office of Science, e purificato presso il Centro di sviluppo dell’ingegneria radiochimica, una struttura multiuso di elaborazione e ricerca radiochimica.

Il gruppo, quindi, ha eseguito la spettroscopia di assorbimento dei raggi X presso il National Synchrotron Light Source II, una struttura utilizzata dal DOE Office of Science presso il Brookhaven National Laboratory del DOE, lavorando in particolare presso il Beamline for Materials Measurement, che è finanziato e gestito dal National Institute of Standard e tecnologia.

Il gruppo ha anche eseguito calcoli di chimica quantistica e simulazioni di dinamica molecolare presso l’Oak Ridge Leadership Computing Facility, una struttura utente del DOE Office of Science presso l’ORNL, utilizzando il supercomputer Summit del laboratorio, l’unica risorsa computazionale in grado di fornire i calcoli necessari in quel momento.

I ricercatori, inoltre, hanno utilizzato le risorse del Compute and Data Environment for Science dell’ORNL. Si aspettano che i calcoli futuri vengano eseguiti su Frontier dell’ORNL, il supercomputer più potente del mondo ed il primo sistema exascale, in grado di eseguire più di un quintilione di calcoli al secondo.

Popovs ha sottolineato che i risultati ottenuti dall’ORNL possono essere attribuiti al lavoro di squadra. Ciascuno dei 18 autori dell’articolo è stato fondamentale per il progetto.

Il risultato pone le basi per una nuova era di ricerca, hanno affermato gli scienziati: “Tutto ciò che chiameremmo una moderna meraviglia della tecnologia includerebbe, in una forma o nell’altra, questi elementi delle terre rare. Stiamo aggiungendo l’anello mancante.”

ITALIANO

Scientists have made a significant breakthrough in understanding the properties of promethium, a rare earth element with elusive characteristics despite its use in modern technology.

Promethium: a rare element with new implications for technology

Scientists have discovered the properties of a rare earth element first discovered 80 years ago in the same laboratory, opening a new path for the exploration of critical elements in modern technology, from medicine to space travel.

Promethium was discovered in 1945 at Clinton Laboratories, now the Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory, and continues to be produced at ORNL in minute quantities. Some of its properties have remained elusive despite the rare earth element's use in medical studies and in long-lasting nuclear batteries. It takes its name from the mythological titan who delivered fire to humans and whose name symbolizes human commitment.

Alex Ivanov, a scientist at ORNL who co-led the research said: “The idea was to explore this very rare element to gain new knowledge. Once we realized that it was discovered in this national laboratory and where we work, we felt an obligation to conduct this research to uphold ORNL's legacy."

The ORNL-led team of scientists prepared a chemical complex of promethium, which allowed its characterization in solution for the first time. Thus, in a series of meticulous experiments, they revealed the secrets of this very rare lanthanide, whose atomic number is 61.

Their landmark study, published in the journal Nature, marks a significant advance in rare earth research and could rewrite chemistry textbooks.

ORNL's Ilja Popovs, who co-led the research, said: "Because it has no stable isotopes, promethium was the last lanthanide to be discovered and was the most difficult to study." Most rare earth elements are the lanthanides, elements 57 – lanthanum – to 71 – lutetium – on the periodic table. They have similar chemical properties but differ in size.

The other 14 lanthanides are well understood. They are metals with useful properties that make them indispensable in many modern technologies. They are workhorses of applications such as lasers, permanent magnets in wind turbines and electric vehicles, X-ray screens and even cancer drugs.

Santa Jansone-Popova of ORNL, who co-led the study explained: “There are thousands of publications on promethium-free lanthanide chemistry. This is a glaring gap for all of science. Scientists have to assume most of its properties. Now we can actually measure some of them.”

Promethium: lanthanide contraction revealed

The research relied on unique resources and expertise available at DOE national laboratories. Using a research reactor, hot cells and supercomputers, as well as the accumulated knowledge and expertise of 18 scientists in different fields, the authors detailed the first observation of a promethium complex in solution.

ORNL scientists bound, or chelate, radioactive promethium with special organic molecules called diglycolamide ligands. Then, using X-ray spectroscopy, they determined the properties of the complex, including the length of promethium's chemical bond with neighboring atoms—a first for science and a long-standing missing piece in the periodic table of elements.

Promethium is very rare, only about a pound occurs naturally in the Earth's crust at any given time. Unlike other rare earth elements, only small quantities of synthetic promethium are available as it has no stable isotopes.

For this study, the ORNL team produced the isotope promethium-147, with a half-life of 2.62 years, in sufficient quantities and with a high enough purity to study its chemical properties.   ORNL is the only producer of promethium-147 in the United States.

In particular, the team provided the first demonstration of a feature of lanthanide contraction in solution for the entire lanthanide series, including promethium, atomic number 61. Lanthanide contraction is a phenomenon in which elements with atomic numbers between between 57 and 71 are smaller than expected.

As the atomic number increases, the radii of their ions decrease. This contraction creates distinctive chemical and electronic properties as the same charge is confined to a shrinking space. ORNL scientists obtained a clear promethium signal, which allowed them to better define the shape of the trend across the series.

Ivanov said: “It's really amazing from a scientific point of view. I was impressed when we had all the data. The contraction of this chemical bond accelerates along this atomic series, but after promethium it slows down considerably. This is an important reference point for understanding the chemical bonding properties of these elements and their structural changes across the periodic table."

Many of these elements, such as those in the lanthanide and actinide series, have applications ranging from cancer diagnostics and treatment to renewable energy technologies and long-duration nuclear batteries for deep space exploration.

Promethium: implications for technology and science

According to Jansone-Popova, this achievement will facilitate, among other things, the difficult task of separating these precious elements. The team worked extensively on separations of the entire lanthanide series, but promethium was the final piece of the puzzle. 

The research team used several world-class DOE facilities in the project. At ORNL, promethium was synthesized at the High Flux Isotope Reactor, a DOE Office of Science user facility, and purified at the Radiochemical Engineering Development Center, a multipurpose radiochemical research and processing facility.

The team then performed X-ray absorption spectroscopy at the National Synchrotron Light Source II, a facility used by the DOE Office of Science at DOE's Brookhaven National Laboratory, working specifically at the Beamline for Materials Measurement, which is Funded and operated by the National Institute of Standards and Technology.

The team also performed quantum chemical calculations and molecular dynamics simulations at the Oak Ridge Leadership Computing Facility, a DOE Office of Science user facility at ORNL, using the lab's Summit supercomputer, the only computational resource capable to provide the necessary calculations at that time.

The researchers also used the resources of ORNL's Compute and Data Environment for Science. They expect future calculations to be performed on ORNL's Frontier, the world's most powerful supercomputer and the first exascale system, capable of performing more than a quintillion calculations per second.

Popovs emphasized that ORNL's achievements can be attributed to teamwork. Each of the 18 authors of the article was essential to the project.

The result sets the stage for a new era of research, the scientists said: “Everything we would call a modern marvel of technology would include, in one form or another, these rare earth elements. We are adding the missing link.”

Da:

https://reccom.org/promezio-svelati-i-segreti-dellelemento-raro-video/?fbclid=IwZXh0bgNhZW0CMTEAAR3lRg3ipqTIeWcTmrP8qo6VZABV1gTGPr8WuqR72Z2nJ1TS95pCWSiT0YM_aem_AafyKe0gKrGvW40GHiKuuYTnZjwax8wobDQjpMnIfmTvMKq34g7oPyD8wxe5A3Y4rOZjBgop3jYo6h_ZQLnN6Hx1