Roma – 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 fu 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. Prende il nome dal titano mitologico che consegnò il fuoco agli esseri umani e il cui nome simboleggia l’impegno umano.
“L’idea era quella di esplorare questo elemento molto raro per acquisire nuove conoscenze”, ha affermato Alex Ivanov, uno scienziato dell’ORNL che ha co-diretto la ricerca. “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 team 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.
L’arte concettuale mostra il promezio, elemento delle terre rare, in una fiala circondata da un ligando organico. Gli scienziati dell’ORNL hanno scoperto caratteristiche nascoste del promezio, aprendo la strada alla ricerca su altri elementi lantanidi.
CREDITO
Jacqueline DeMink, arte; Thomas Dyke, fotografia; ORNL, Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti
“Poiché non ha isotopi stabili, il promezio è stato l’ultimo lantanide ad essere scoperto ed è stato il più difficile da studiare”, ha affermato Ilja Popovs dell’ORNL, che ha co-diretto la ricerca. 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 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.
“Ci sono migliaia di pubblicazioni sulla chimica dei lantanidi senza promezio. Si tratta di un divario evidente per tutta la scienza”, ha affermato Santa Jansone-Popova dell’ORNL, che ha co-condotto lo studio. “Gli scienziati devono assumere la maggior parte delle sue proprietà. Ora possiamo effettivamente misurarne alcuni”.
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 e 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 perché non ha isotopi stabili.
Per questo studio, il team 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 team ha fornito la prima dimostrazione di una caratteristica della contrazione dei lantanidi in soluzione per l’intera serie dei lantanidi, 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 di questi lantanidi, i raggi dei loro ioni diminuiscono. Questa contrazione crea proprietà chimiche ed elettroniche distintive perché 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.
“È davvero sorprendente dal punto di vista scientifico. Sono rimasto colpito quando abbiamo avuto tutti i dati”, ha detto Ivanov. “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 e 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 e alle batterie nucleari di lunga durata per l’esplorazione dello spazio profondo.
Secondo Jansone-Popova, questo risultato faciliterà, tra le altre cose, il difficile compito di separare questi preziosi elementi. Il team ha lavorato a lungo sulle separazioni dell’intera serie di lantanidi, “ma il promezio era l’ultimo pezzo del puzzle. È stato piuttosto impegnativo”, ha detto. “Non è possibile utilizzare tutti questi lantanidi come una miscela nelle moderne tecnologie avanzate, perché prima è necessario separarli. È qui che la contrazione diventa molto importante; fondamentalmente ci permette di separarli, il che è ancora un compito piuttosto difficile”.
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. Quindi, il team 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 team 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. Inoltre, i ricercatori 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 e 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 su Nature è stato fondamentale per il progetto, ha affermato.
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”, ha detto Popovs. “Stiamo aggiungendo l’anello mancante.”
Oltre a Popovs, Ivanov e Jansone-Popova della Divisione di Scienze Chimiche dell’ORNL, i coautori dell’articolo includono Darren Driscoll, Subhamay Pramanik, Jeffrey Einkauf, Santanu Roy e Thomas Dyke, anch’essi della Divisione di Scienze Chimiche dell’ORNL; Frankie White, Richard Mayes, Laetitia Delmau, Samantha Cary, April Miller e Sandra Davern della Divisione Scienza e Tecnologia dei Radioisotopi dell’ORNL; Matt Silveira e Shelley VanCleve della divisione di elaborazione e produzione di isotopi dell’ORNL; Dmytro Bykov del Centro nazionale per le scienze computazionali dell’ORNL; e Bruce Ravel del National Institute of Standards and Technology.
Questo lavoro è stato principalmente co-sponsorizzato dall’Office of Science del DOE per la sintesi dei ligandi, gli studi sulla complessazione dei lantanidi, i processi di cristallizzazione, le analisi spettroscopiche e gli sforzi di simulazione. La produzione, la purificazione e la preparazione del campione di promezio sono state supportate dal Programma Isotopico DOE, gestito dall’Ufficio della Scienza per la ricerca e lo sviluppo e la produzione di isotopi. La raccolta e il perfezionamento dei dati di diffrazione dei raggi X su cristallo singolo sono stati supportati dal DOE Office of Science.(30Science.com)
