در آزمایشگاه‌های شیمی، مشاهده درخشش بنفش همیشه نشانه‌ای از حضور عنصری مرموز و دست‌نیافتنی بود: پرومتیوم، عنصر شماره ۶۱ جدول تناوبی. این عضو کم‌رو از خانواده لانتانیدها نوری ضعیف منتشر می‌کند و تا همین اواخر، رفتار آن در آب عادی برای دانشمندان ناشناخته باقی مانده بود؛ نقطه‌ای مجهول که کتاب‌های درسی شیمی را ناقص می‌کرد.
خانواده لانتانیدها و راز انقباض یونی
خانواده لانتانیدها که از لانتان تا لوتسیوم امتداد دارند، به دلیل کوچک‌شدن تدریجی اندازه یونی شناخته می‌شوند؛ پدیده‌ای به نام «انقباض لانتانیدی». تمام اعضای این خانواده از نظر شعاع یونی بررسی شده بودند، به‌جز پرومتیوم. بدون اطلاعات این عنصر، الگوی اندازه یونی ناقص و مانند طرحی نیمه‌کاره به نظر می‌رسید.
عناصر نادر خاکی چیستند؟
عناصر پرکاربرد اما دشوار در استخراج
عناصر نادر خاکی (REEs) مجموعه‌ای از ۱۷ عنصر فلزی در جدول تناوبی هستند که برخلاف نامشان، چندان نادر نیستند اما استخراج و پالایش آن‌ها بسیار دشوار است. این عناصر در فناوری‌های روزمره مانند گوشی‌های هوشمند، خودروهای الکتریکی، توربین‌های بادی و تجهیزات نظامی نقش دارند.
ویژگی‌های مغناطیسی، فلوئورسانس و کاتالیزوری آن‌ها باعث شده این عناصر بی‌سروصدا موتور محرک دنیای مدرن باشند. برای نمونه، نئودیمیوم مغناطیس‌های قوی در هدفون‌ها را ممکن می‌سازد، درحالی‌که یوروپیوم، نور قرمز درخشان LEDها را فراهم می‌کند.
چالش‌های زیست‌محیطی و ژئوپلیتیکی
استخراج و پالایش این عناصر فرایندی پیچیده و آلاینده است. بیشتر منابع جهانی آن‌ها از چین تأمین می‌شود، کشوری که فناوری لازم برای جداسازی این عناصر را به خوبی توسعه داده است. اکنون، چالش جهانی یافتن روش‌های پایدار و کم‌سم‌تر برای تأمین و بازیافت عناصر نادر خاکی است، بدون آسیب به محیط زیست یا افتادن در دام بازی‌های ژئوپلیتیکی.
همسایه پنهان جدول تناوبی: پرومتیوم
کشف در دل رآکتورهای جنگی
عنصر پرومتیوم نخستین‌بار در سال ۱۹۴۵ در داخل رآکتورهای جنگ جهانی در آزمایشگاه کلینتون (پیش‌روی آزمایشگاه ملی اوک ریج، ORNL) شناسایی شد. در هر لحظه، تنها حدود نیم کیلوگرم از این عنصر در پوسته زمین وجود دارد و هیچ ایزوتوپی از آن پایدار نیست.
به همین دلیل، دانشمندان مجبورند آن را به‌صورت مصنوعی تولید کنند. تنها منبع تولید در ایالات متحده، آزمایشگاه ORNL است که مقادیر بسیار اندکی از ایزوتوپ پرومتیوم-۱۴۷ را با نیمه‌عمر ۲٫۶۲ سال تولید می‌کند.
هدف: شناخت بهتر یک عنصر کمیاب
الکس ایوانوف، دانشمند ORNL و یکی از سرپرستان پژوهش، گفت: «هدف اصلی ما بررسی این عنصر نادر برای دستیابی به دانش نوین بود».
حل معمای پرومتیوم در آب
طراحی مولکولی برای کنترل عنصر
تیم پژوهشی، لیگاندی به نام دی‌گلیکول‌آمید طراحی کرد؛ مولکولی ارگانیک با ساختاری چنگک‌مانند که به اتم‌های پرومتیوم در محلول متصل می‌شود. این طراحی باعث شد پژوهشگران بتوانند پرومتیوم را به‌طور ایمن در آب حل کنند و پرتوهای ایکس بسیار قوی به آن بتابانند.
اندازه‌گیری مستقیم برای نخستین‌بار
با استفاده از راکتور ایزوتوپی با شار بالا در ORNL، آزمایشگاه‌های شیمی رادیواکتیو و منبع نوری سنکروترونی بروکهِیون، آن‌ها توانستند برای اولین‌بار طول پیوند بین پرومتیوم و اتم‌های اکسیژن اطراف آن را اندازه‌گیری کنند. این نخستین مشاهده مستقیم از شعاع هیدراته پرومتیوم بود، پیش از آن، تنها تخمین‌هایی وجود داشت.
حرف آخر در مورد انقباض لانتانیدی
با ترسیم طول پیوند جدید پرومتیوم در کنار سایر ۱۴ عنصر لانتانیدی، پژوهشگران موفق شدند شکاف موجود را پر کرده و مسیر انقباض شعاع یونی را تکمیل کنند. نتیجه نشان داد که سرعت انقباض تا پرومتیوم افزایش می‌یابد و سپس در عناصر بعدی کاهش پیدا می‌کند.
شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای با استفاده از ابررایانه Summit در ORNL این یافته‌ها را تأیید کرد و تغییر ظریفی را که پیش‌تر پیش‌بینی اما اثبات نشده بود، ثابت کرد.
سانتا یانسونه-پوپووا، دیگر سرپرست تحقیق، گفت: «هزاران مقاله درباره شیمی لانتانیدها منتشر شده‌اند بدون اینکه پرومتیوم در آن‌ها باشد. این یک خلأ بزرگ برای تمام علم بود».
پرومتیوم کوچک، کاربردهای بزرگ
منبع انرژی برای قلب و فضا
برخلاف دیگر عناصر نادر خاکی که در مغناطیس‌ها یا لیزرها کاربرد دارند، ارزش اصلی پرومتیوم در تابش پایدار بتا آن است. ایزوتوپ پرومتیوم-۱۴۷ در باتری‌های هسته‌ای طولانی‌عمر استفاده شده؛ از جمله باتری‌هایی که روزگاری ضربان‌سازهای قلب را تغذیه می‌کردند و هنوز هم در ابزارهای فضایی کاربرد دارند.
به دلیل نیمه‌عمر نسبتاً کوتاه آن، مهندسان می‌توانند ابزارهایی طراحی کنند که در چند دهه آینده بی‌خطر از کار بیفتند، نه در مقیاس هزارساله.
درک تعامل این عنصر با حلال‌ها و استخراج‌کننده‌ها به تصفیه بهتر آن کمک کرده و می‌تواند در منابع انرژی کوچک برای حسگرهای اعماق دریا نیز کاربرد پیدا کند.
شهرهای هوشمند و دستگاه‌های پزشکی
نقش کلیدی در فناوری‌های پیشرفته
عناصر نادر خاکی در روشنایی فلورسنت، ژنراتورهای توربین‌های بادی، موتورهای خودروهای برقی و مواد کنتراست‌دهنده برای اسکن MRI نقش اساسی دارند. با این حال، جداسازی هر عنصر از همسایگانش یکی از پرهزینه‌ترین مراحل است که نیاز به ستون‌های بلند استخراج با حلال دارد.
شناخت دقیق اندازه یونی به شیمی‌دانان امکان می‌دهد لیگاندهایی طراحی کنند که به یک عنصر خاص بچسبند و عناصر دیگر را نادیده بگیرند.
یانسونه-پوپووا توضیح داد: «شما نمی‌توانید این لانتانیدها را به‌صورت مخلوط در فناوری‌های پیشرفته استفاده کنید؛ ابتدا باید آن‌ها را جدا کنید. اینجاست که انقباض یونی اهمیت می‌یابد، چون ابزار کلیدی جداسازی است؛ فرایندی که هنوز هم بسیار دشوار است».
آینده فناوری و پرومتیوم
پیوند علم، مهندسی و محاسبات پیشرفته
این کشف‌ها نشان می‌دهند چگونه مراکز تخصصی علمی به هم پیوسته‌اند تا یک معمای در ابعاد اتمی را حل کنند. مهندسان رادیوشیمی ORNL ایزوتوپ را تولید کردند، سنکروترون بروکهیون طیف‌ها را ثبت کرد و ابررایانه‌ها محاسبات کوانتومی را انجام دادند.
رایانه Frontier در ORNL، که در مقیاس اگزا عمل می‌کند، شبیه‌سازی‌های بعدی را از چند ساعت به چند دقیقه کاهش خواهد داد و ممکن است امکان بررسی پیوند پرومتیوم با مواد باتری‌های پیشرفته یا داروهای پزشکی را فراهم کند.
پوپووس گفت: «هر چیزی که آن را معجزه فناوری مدرن می‌دانیم، به نوعی شامل عناصر نادر خاکی است. ما اکنون حلقه گمشده را یافته‌ایم».
درخششی که هشتاد سال پیش شیمی‌دانان را سردرگم کرده بود، اکنون تصویری کامل از رفتار لانتانیدها ارائه می‌دهد. با مشخص شدن ویژگی‌های پرومتیوم، جدول تناوبی منسجم‌تر شده و ابزارهایی که با این عناصر ساخته می‌شوند، هوشمندتر از همیشه خواهند بود.
این مطالعه در نشریه Nature منتشر شده است.
