Bilim İnsanları Promethium’un Gizemli Bağını Çözdü
(DOE) Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı (ORNL) liderliğindeki bir bilim insanı ekibi, nadir bir element olan prometyumun sulu çözeltilerde nasıl kimyasal bağlar oluşturduğuna dair benzeri görülmemiş bir gözlem yaptı.
Bu çığır açan keşif, DOE’nin Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’ndaki bir DOE Bilim Ofisi kullanıcı tesisi olan Ulusal Sinkrotron Işık Kaynağı II’de, Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü tarafından finanse edilen ve işletilen bir ışın hattı olan Beamline for Materials Measurement (BMM) kullanılarak yapılmıştır.
Prometyumun Uygulamaları ve Gizemleri
Prometyum nadir olmasına rağmen, karanlıkta parlayan özel boya üretimi, radyasyon tedavisi ve kalp pilleri ve uzay araçları için uzun ömürlü atomik piller de dahil olmak üzere birçok ilginç uygulamaya sahiptir. Yüksek kararsızlığı nedeniyle, bu radyoaktif metal hakkında hala bilinmeyen çok şey var. Karmaşık kimyasının anlaşılması, daha da benzersiz kullanımların ve büyüleyici takip çalışmalarının önünü açabilir.
Bruce Ravel Malzeme Ölçümü için Işın Hattında gösteriliyor. Kredi: Kevin Coughlin/Brookhaven Ulusal Laboratuvarı
Lantanit Küçülmesinin Gözlenmesi
Prometyum “lantanit” veya “nadir toprak metali” olarak bilinen bir elementtir. Bu metal, periyodik tablonun alt kısmında yer alan ve 57 ile 71 arasındaki atom numaralarını taşıyan 15 elementten biridir. Bu metaller birbirlerine oldukça benzer görünse ve hissettirse de, hepsinin benzersiz manyetik ve elektronik özellikleri vardır. Bu benzersiz özellikler “lantanit daralması” olarak adlandırılan bir olgudan kaynaklanıyor olabilir. Bu elementlerin atomik ve iyonik yarıçaplarının, periyodik tablodaki diğer gruplarda olduğu gibi, atom numarası artmasına rağmen azaldığı söylenmektedir. Sonuç olarak, seri boyunca ilerledikçe atomlar küçülmektedir. Bilim insanları bunu şimdiye kadar çözeltideki tüm lantanitlerde deneysel olarak gözlemlememişti. Bu çığır açan araştırmanın sonuçları kısa süre önce Nature dergisinde yayımlandı.
Prometyumu Kullanmanın Benzersiz Zorlukları
Herhangi bir zamanda, Dünya’da doğal olarak oluşan haliyle bu elementten genellikle sadece bir kilodan biraz fazla bulunur. Prometyum radyoaktiftir, ancak inanılmaz derecede kısa bir yarı ömre sahiptir. Bu da kıtlığında büyük bir rol oynar. Bir prometyum izotopu olan prometyum-145’in en uzun yarılanma ömrü sadece 17,7 yıldır. ORNL, uzay araştırmaları için plütonyum üretiminden elde edilen bir yan ürünü kullanarak 2,6 yıllık yarı ömre sahip bir prometyum-147 örneği oluşturmayı başardı. Saat işlemeye başladığında, örnek hemen daha kararlı bir element olan samaryuma dönüşmeye başlar.
Bu görüntüde (a) saflaştırılmış prometyum tuzunun bir fotoğrafı ve (b) iki amid karbonil oksijen grubu ve bir eter oksijen atomundan oluşan liganda bağlanan prometyum atomunun moleküler yapısını gösteren bir grafik gösterilmektedir. Kredi: Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı/Doğa
Prometyum ile Nadir Bir Deney
BMM’de baş ışın hattı bilimcisi ve bu araştırmanın ortak yazarı Bruce Ravel, “Gezegendeki tüm saflaştırılmış prometyum stoğunun yaklaşık %40 veya %50’sini incelemek için ışın hattında tutuyorduk” dedi. “Birkaç hafta sonra, çoğunlukla çözeltideki suyun buharlaşması nedeniyle prometyum örneği artık kullanılamaz hale geldi. Elbette araştırma ilginçti, ancak bunu gerçekleştirmek için tüm süreç de ilginçti. Bunu gerçekleştirmek için çok fazla lojistik planlama ve koordinasyon gerekiyordu ve katılan herkes bu deneyin her parçasını hızlı ve dikkatli bir şekilde yerine getirmek için gerçekten çok çalıştı.”
Örnek ORNL’de, bilim insanlarının Yüksek Akılı İzotop Reaktörünün atık akışından malzeme çıkardıkları ve prometyumu diğer atıklardan ayırmaya başladıkları yerde başladı. Numunenin güvenli bir şekilde paketlenmesi, Tennessee’den New York’a taşınması, NSLS-II’de kabul edilmesi ve ardından ışın hattında deneylerin yapılması zaman aldı ve zaman değerli prometyumu alıp götürdü.
Lantanit Bağlarında Öncü Araştırma
Prometyumun kimyasal yapısını incelemek için bilim insanlarının önce onu suda stabilize etmeleri gerekiyordu. Bunu yapmak için bispirrolidin diglikolamid adı verilen suda çözünebilen bir ligand kullandılar. Ligandlar metal atomlarına bağlanan özel moleküllerdir. Ekip buradan, bir numuneye X-ışını ışığı tutarak ve bu numunenin bileşenlerinin X-ışınlarını nasıl emdiğini ölçerek bir malzemedeki atomların yapısını ve özelliklerini belirleyen köklü bir senkrotron tekniği olan X-ışını absorpsiyon spektroskopisini (XAS) kullanarak ölçmek için numuneyi BMM’ye götürdü. Farklı atomlar belirli enerjilerde X-ışınlarını emer, bu da bilim insanlarının hangi elementlerin mevcut olduğunu ve malzemede nasıl düzenlendiklerini belirlemelerine olanak tanır.
Ravel, “Bildiğimiz kadarıyla ilk kez herhangi bir yerde, herhangi bir sinkrotronda prometyum elementi XAS ile ölçüldü” dedi. “Böyle bir spektrumu gören ilk insanlar biziz, ki bu bile tek başına gerçekten çok güzel. Uzun zamandır XAS kullanarak araştırma yapıyorum ve daha önce hiç kimsenin görmediği bir şey görmedim.”
Bu çözeltide prometyum iyonu dokuz komşu oksijen atomu ile bağ oluşturdu. Kompleksi analiz edip ölçtükten sonra, ekip bu sonucu kalan lantanit serisine ekleyebildi ve teorize edilen daralma modeline uyduğunu gözlemledi.
Bu eksik parçanın elde edilmesi, ekibin daha sonra seriyi bir bütün olarak analiz etmesini sağladı ve bu da kendi ilginç modeline sahipti. Bağ kısalması serinin başlangıcında oldukça hızlıydı, ancak prometyumdan sonraki daha ağır lantanitler için bağ uzunlukları daha istikrarlı bir şekilde kısaldı. Prometyumun kimyasal özelliklerinin ortaya çıkarılması tek başına yeni bir araştırma olasılıkları alanı açıyor, ancak lantanitlerin daha eksiksiz bir şekilde anlaşılması, uzun süredir bir parçası eksik olan bir bulmacayı tamamlıyor.
Ravel, “Bu, ölçtüğümüz şeyin bilim ve lantanit serisi hakkındaki bilgilerimiz tarafından bilgilendirilen beklentilerimizle uyumlu olduğu bir durumdu” dedi. “Ancak daha önce hiç ölçülmemiş son derece zor bir şeyi ölçtük. Çıkarım yapmak yerine gerçek bilgiye sahip olmak, iyi bilim yapmanın yoludur. Lantanitlerin nasıl çalıştığına dair kolektif bilgimizdeki bu boşluğu doldurmanın önemi çok büyük. Ben 30 yıldır bilim insanıyım ve hiçbir zaman sokağa çıkıp “Eureka!” diye bağırmadım. Bu bir başarıydı ama büyük bir sürpriz değildi. Bilimin en güzel yanı birinin ‘Eureka!’ demesi değil, birinin ‘Huh, bu çok garip’ demesidir.”
Kaynak: https://scitechdaily.com
Keşfedilmesinden Neredeyse 80 Yıl Sonra, Nadir Toprak Elementi Prometyumun Özellikleri Açıklandı