Los científicos han descubierto las propiedades de un elemento de tierras raras que se descubrió por primera vez hace 80 años en el mismo laboratorio, abriendo un nuevo camino para la exploración de elementos críticos en la tecnología moderna, desde la medicina hasta los viajes espaciales.
El prometio fue descubierto en 1945 en los Laboratorios Clinton, ahora el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía, y continúa produciéndose en ORNL en cantidades mínimas. Algunas de sus propiedades siguen siendo difíciles de alcanzar a pesar del uso del elemento de tierras raras en estudios médicos y en baterías nucleares de larga duración. Lleva el nombre del titán mitológico que entregó el fuego a los humanos y cuyo nombre simboliza el esfuerzo humano.
"La idea era explorar este elemento tan raro para obtener nuevos conocimientos", dijo Alex Ivanov, científico del ORNL que codirigió la investigación. "Una vez que nos dimos cuenta de que se había descubierto en este laboratorio nacional y en el lugar donde trabajamos, sentimos la obligación de realizar esta investigación para defender el legado de ORNL".
El equipo de científicos dirigido por ORNL preparó un complejo químico de prometio, que permitió por primera vez su caracterización en solución. Así, expusieron los secretos de este lantánido extremadamente raro, cuyo número atómico es 61, en una serie de experimentos meticulosos.
Su estudio, publicado en la revista Nature , marca un avance significativo en la investigación de tierras raras y podría reescribir los libros de texto de química.
"Debido a que no tiene isótopos estables, el prometio fue el último lantánido descubierto y ha sido el más difícil de estudiar", dijo Ilja Popovs de ORNL, quien codirigió la investigación. La mayoría de los elementos de tierras raras son lantánidos, elementos del 57 (lantano) al 71 (lutecio) en la tabla periódica. Tienen propiedades químicas similares pero difieren en tamaño.
Los otros 14 lantánidos se conocen bien. Son metales con propiedades útiles que los hacen indispensables en muchas tecnologías modernas. Son caballos de batalla en aplicaciones como láseres, imanes permanentes en turbinas eólicas y vehículos eléctricos, pantallas de rayos X e incluso medicamentos contra el cáncer.
"Hay miles de publicaciones sobre la química de los lantánidos sin prometio. Esa fue una brecha evidente para toda la ciencia", dijo Santa Jansone-Popova de ORNL, quien codirigió el estudio. "Los científicos tienen que asumir la mayoría de sus propiedades. Ahora podemos medir algunas de ellas."
La investigación se basó en recursos y experiencia únicos disponibles en los laboratorios nacionales del DOE. Utilizando un reactor de investigación, celdas calientes y supercomputadoras, así como el conocimiento y las habilidades acumuladas de 18 científicos en diferentes campos, los autores detallaron la primera observación de un complejo de prometio en solución.
Los científicos del ORNL unieron o quelaron el prometio radiactivo con moléculas orgánicas especiales llamadas ligandos de diglicolamida. Luego, utilizando espectroscopía de rayos X, determinaron las propiedades del complejo, incluida la longitud del enlace químico de prometio con los átomos vecinos, una novedad para la ciencia y una pieza faltante desde hace mucho tiempo en la tabla periódica de elementos.
El prometio es muy raro; sólo alrededor de una libra se produce naturalmente en la corteza terrestre en un momento dado. A diferencia de otros elementos de tierras raras, sólo se encuentran disponibles cantidades mínimas de prometio sintético porque no tiene isótopos estables.
Para este estudio, el equipo del ORNL produjo el isótopo prometio-147, con una vida media de 2,62 años, en cantidades suficientes y con una pureza lo suficientemente alta como para estudiar sus propiedades químicas. ORNL es el único productor de prometio-147 en Estados Unidos.
En particular, el equipo proporcionó la primera demostración de una característica de la contracción de los lantánidos en solución para toda la serie de lantánidos, incluido el prometio, con número atómico 61. La contracción de los lantánidos es un fenómeno en el que los elementos con números atómicos entre 57 y 71 son más pequeños de lo esperado. /P>
A medida que aumentan los números atómicos de estos lantánidos, los radios de sus iones disminuyen. Esta contracción crea propiedades químicas y electrónicas distintivas porque la misma carga está limitada a un espacio cada vez más pequeño. Los científicos del ORNL obtuvieron una señal clara de prometio, lo que les permitió definir mejor la forma de la tendencia en toda la serie.
"Es realmente sorprendente desde el punto de vista científico. Me quedé impresionado cuando tuvimos todos los datos", dijo Ivanov. "La contracción de este enlace químico se acelera a lo largo de esta serie atómica, pero después del prometio, se ralentiza considerablemente. Este es un hito importante para comprender las propiedades de enlace químico de estos elementos y sus cambios estructurales a lo largo de la tabla periódica."
Muchos de estos elementos, como los de la serie de lantánidos y actínidos, tienen aplicaciones que van desde el diagnóstico y tratamiento del cáncer hasta tecnologías de energía renovable y baterías nucleares de larga duración para la exploración del espacio profundo.
Según Jansone-Popova, el logro facilitará, entre otras cosas, la difícil tarea de separar estos valiosos elementos. El equipo ha trabajado durante mucho tiempo en la separación de toda la serie de lantánidos, "pero el prometio fue la última pieza del rompecabezas. Fue todo un desafío", afirmó.
"No se pueden utilizar todos estos lantánidos como una mezcla en las modernas tecnologías avanzadas, porque primero hay que separarlos. Aquí es donde la contracción se vuelve muy importante; básicamente nos permite separarlos, lo que sigue siendo una tarea bastante difícil".
El equipo de investigación utilizó varias instalaciones de primer nivel del DOE en el proyecto. En ORNL, el prometio se sintetizó en el reactor de isótopos de alto flujo, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, y se purificó en el Centro de Desarrollo de Ingeniería Radioquímica, una instalación de investigación y procesamiento radioquímico multipropósito.
Luego, el equipo realizó espectroscopía de absorción de rayos X en la Fuente Nacional de Luz Sincrotrón II, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en el Laboratorio Nacional Brookhaven del DOE, trabajando específicamente en la Línea de Luz para Medición de Materiales.
El equipo también realizó cálculos químicos cuánticos y simulaciones de dinámica molecular en Oak Ridge Leadership Computing Facility, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en ORNL, utilizando la supercomputadora Summit del laboratorio, el único recurso computacional capaz de proporcionar los cálculos necesarios en ese momento. /P>
Además, los investigadores utilizaron recursos del entorno de computación y datos para la ciencia del ORNL. Esperan que los cálculos futuros se realicen en la Frontera de ORNL, la supercomputadora más poderosa del mundo y el primer sistema de exaescala, que es capaz de realizar más de un trillón de cálculos por segundo.
Popovs destacó que los logros del ORNL se pueden atribuir al trabajo en equipo. Cada una de las Naturaleza Los 18 autores del artículo fueron fundamentales para el proyecto, afirmó.
El logro sienta las bases para una nueva era de investigación, dijeron los científicos. "Cualquier cosa que llamemos una maravilla moderna de la tecnología incluiría, de una forma u otra, estos elementos de tierras raras", dijo Popovs. "Estamos agregando el enlace que falta."
Más información: Ilja Popovs, Observación de un complejo de prometio en solución, Naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07267-6. www.nature.com/articles/s41586-024-07267-6
Información de la revista: Naturaleza
Proporcionado por el Laboratorio Nacional de Oak Ridge
