科學家首次對钷配位化合物進行了表征，加深了對具有挑戰性的鑭系元素的理解。钷是一種稀土元素，其獨特之處在于缺乏穩定的同位素。因此，它會不斷衰變，這給研究帶來了挑戰。在這項研究中，科學家成功分離出同位素钷-147 的純樣本，并將其與分子結合，在水中形成穩定的復合物。然后，他們使用 X 射線吸收光譜分析化合物的結構并檢查其化學鍵合。

概念藝術展示了稀土元素钷在小瓶中被有機配體包圍。科學家發現了钷的隱藏特征，為研究其他鑭系元素開辟了道路。圖片來源：Jacquelyn DeMink，藝術；Thomas Dyke，攝影；ORNL，美國能源部

由于钷在發光涂料、照明和核電池中的應用，對钷的需求正在增長。核電池為心臟起搏器、導彈、通訊設備和其他技術等設備提供動力。此外，钷還顯示出在放射性成像和癌癥治療方面的應用潛力。钷屬于鑭系元素，鑭系元素由 15 種化學性質相似且難以分離的金屬元素組成。

了解钷的化學性質可以改進分離方法，為新應用打開大門，促進生產更純、更大量的钷元素。目前，能源部同位素計劃是全球唯一的钷-147 生產商。

科學家使用一種已知能與钷類似元素形成化合物的有機分子，并將其與水溶液中的钷結合。這樣就形成了一種穩定的化合物，研究人員可以利用 X 射線吸收光譜測量钷與其所連接的氧原子之間的鍵長。研究人員能夠研究钷復合物的電子結構，從而提供有關钷的化學和物理性質以及這些性質與其他鑭系元素的不同之處的新信息。

钷與其他鑭系元素之間的差異尤其重要，因為科學家們發現，在鑭系元素中，元素和分子之間的鍵隨著原子序數的增加而變短——直到元素 61，钷。對于钷和原子序數較高的鑭系元素，離子半徑的收縮速度減慢，鍵長減少的速度也較慢。了解這種化學反應可以帶來更好的分離方法，而這是增加钷產量所必需的。

這項工作主要由美國能源部 (DOE) 科學辦公室、基礎能源科學辦公室化學科學、地球科學和生物科學部以及材料科學與工程部共同贊助，用于配體合成、鑭系元素絡合研究、結晶過程、光譜分析和模擬工作。钷樣品的生產、純化和制備由美國能源部同位素計劃支持，該計劃由科學辦公室下屬的同位素研發和生產辦公室管理。單晶 X 射線衍射數據的收集和細化由美國能源部科學辦公室、基礎能源科學辦公室化學科學、地球科學和生物科學部支持。

DOI：10.1038/s41586-024-07267-6

編譯自/ScitechDaily