A arte conceitual mostra o elemento terras raras promécio em um frasco cercado por um ligante orgânico. Os cientistas do ORNL descobriram características ocultas do promécio, abrindo um caminho para a pesquisa de outros elementos lantanídeos. Crédito:Jacqueline DeMink, arte; Thomas Dyke, fotografia; ORNL, Departamento de Energia dos EUA Os cientistas descobriram as propriedades de um elemento de terra rara que foi descoberto pela primeira vez há 80 anos no mesmo laboratório, abrindo um novo caminho para a exploração de elementos críticos na tecnologia moderna, da medicina às viagens espaciais.
O promécio foi descoberto em 1945 nos Laboratórios Clinton, hoje Laboratório Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia, e continua a ser produzido no ORNL em quantidades mínimas. Algumas de suas propriedades permaneceram indefinidas, apesar do uso do elemento terras raras em estudos médicos e em baterias nucleares de longa duração. Seu nome vem do titã mitológico que entregou fogo aos humanos e cujo nome simboliza o esforço humano.
“A ideia era explorar este elemento muito raro para obter novos conhecimentos”, disse Alex Ivanov, cientista do ORNL que co-liderou a investigação. "Assim que percebemos que foi descoberto neste laboratório nacional e no local onde trabalhamos, sentimos a obrigação de conduzir esta pesquisa para defender o legado do ORNL."
A equipe de cientistas liderada pelo ORNL preparou um complexo químico de promécio, que permitiu pela primeira vez sua caracterização em solução. Assim, eles expuseram os segredos desse lantanídeo extremamente raro, cujo número atômico é 61, em uma série de experimentos meticulosos.
O estudo deles, publicado na revista Nature , marca um avanço significativo na pesquisa de terras raras e pode reescrever livros didáticos de química.
“Como não possui isótopos estáveis, o promécio foi o último lantanídeo a ser descoberto e tem sido o mais difícil de estudar”, disse Ilja Popovs do ORNL, que co-liderou a pesquisa. A maioria dos elementos de terras raras são os lantanídeos, elementos de 57 – lantânio – a 71 – lutécio – na tabela periódica. Eles têm propriedades químicas semelhantes, mas diferem em tamanho.
Os outros 14 lantanídeos são bem compreendidos. São metais com propriedades úteis que os tornam indispensáveis em muitas tecnologias modernas. Eles são burros de carga de aplicações como lasers, ímãs permanentes em turbinas eólicas e veículos elétricos, telas de raios X e até mesmo medicamentos para combater o câncer.
"Existem milhares de publicações sobre a química dos lantanídeos sem promécio. Essa foi uma lacuna gritante para toda a ciência", disse Santa Jansone-Popova do ORNL, que co-liderou o estudo. "Os cientistas têm de assumir a maioria das suas propriedades. Agora podemos realmente medir algumas delas."
A pesquisa contou com recursos e conhecimentos exclusivos disponíveis nos laboratórios nacionais do DOE. Utilizando um reator de pesquisa, células quentes e supercomputadores, além do conhecimento e habilidades acumuladas de 18 cientistas em diferentes áreas, os autores detalharam a primeira observação de um complexo de promécio em solução.
Os cientistas do ORNL ligaram ou quelaram o promécio radioativo com moléculas orgânicas especiais chamadas ligantes de diglicolamida. Depois, utilizando espectroscopia de raios X, determinaram as propriedades do complexo, incluindo o comprimento da ligação química do promécio com átomos vizinhos – uma novidade para a ciência e uma peça que faltava há muito tempo na tabela periódica dos elementos.
O promécio é muito raro; apenas cerca de meio quilo ocorre naturalmente na crosta terrestre em um determinado momento. Ao contrário de outros elementos de terras raras, apenas quantidades mínimas de promécio sintético estão disponíveis porque não possui isótopos estáveis.
Os membros da equipe do Centro de Desenvolvimento de Engenharia Radioquímica do ORNL, onde a amostra de promécio foi purificada, incluíam, a partir da esquerda, Richard Mayes, Frankie White, April Miller, Matt Silveira e Thomas Dyke. Crédito:Carlos Jones/ORNL, Departamento de Energia dos EUA
Para este estudo, a equipe do ORNL produziu o isótopo promécio-147, com meia-vida de 2,62 anos, em quantidades suficientes e com pureza suficiente para estudar suas propriedades químicas. ORNL é o único produtor de promécio-147 nos Estados Unidos.
Notavelmente, a equipe forneceu a primeira demonstração de uma característica da contração dos lantanídeos em solução para toda a série dos lantanídeos, incluindo o promécio, número atômico 61. A contração dos lantanídeos é um fenômeno no qual elementos com números atômicos entre 57 e 71 são menores do que o esperado.
À medida que o número atômico desses lantanídeos aumenta, os raios de seus íons diminuem. Essa contração cria propriedades químicas e eletrônicas distintas porque a mesma carga está limitada a um espaço cada vez menor. Os cientistas do ORNL obtiveram um sinal claro de promécio, o que lhes permitiu definir melhor a forma da tendência – em toda a série.
"É realmente surpreendente do ponto de vista científico. Fiquei impressionado quando tivemos todos os dados", disse Ivanov. "A contração desta ligação química acelera ao longo desta série atômica, mas depois do promécio, ela desacelera consideravelmente. Este é um marco importante na compreensão das propriedades de ligação química desses elementos e suas mudanças estruturais ao longo da tabela periódica."
Muitos destes elementos, como os das séries dos lantanídeos e dos actinídeos, têm aplicações que vão desde o diagnóstico e tratamento do cancro até tecnologias de energia renovável e baterias nucleares de longa duração para a exploração do espaço profundo.
A conquista irá, entre outras coisas, facilitar o difícil trabalho de separar esses elementos valiosos, segundo Jansone-Popova. A equipe trabalha há muito tempo na separação de toda a série de lantanídeos, "mas o promécio foi a última peça do quebra-cabeça. Foi bastante desafiador", disse ela.
"Não se pode utilizar todos esses lantanídeos como uma mistura em tecnologias modernas e avançadas, porque primeiro é preciso separá-los. É aqui que a contração se torna muito importante; basicamente nos permite separá-los, o que ainda é uma tarefa bastante difícil."
A equipe de pesquisa utilizou várias instalações importantes do DOE no projeto. No ORNL, o promécio foi sintetizado no Reator de Isótopos de Alto Fluxo, uma instalação de usuário do DOE Office of Science, e purificado no Centro de Desenvolvimento de Engenharia Radioquímica, uma instalação multifuncional de processamento e pesquisa radioquímica.
Em seguida, a equipe realizou espectroscopia de absorção de raios X na National Synchrotron Light Source II, uma instalação do DOE Office of Science no Laboratório Nacional de Brookhaven do DOE, trabalhando especificamente na Linha de Luz para Medição de Materiais.
A equipe também realizou cálculos químicos quânticos e simulações de dinâmica molecular no Oak Ridge Leadership Computing Facility, uma instalação de usuário do DOE Office of Science no ORNL, usando o supercomputador Summit do laboratório, o único recurso computacional capaz de fornecer os cálculos necessários no momento.
Além disso, os pesquisadores utilizaram recursos do Ambiente de Computação e Dados para Ciência do ORNL. Eles esperam que os cálculos futuros sejam realizados no Frontier do ORNL, o supercomputador mais poderoso do mundo e o primeiro sistema exaescala, que é capaz de realizar mais de um quintilhão de cálculos por segundo.
Popovs enfatizou que as realizações lideradas pelo ORNL podem ser atribuídas ao trabalho em equipe. Cada um dos Natureza Os 18 autores do artigo foram fundamentais para o projeto, disse ele.
A conquista prepara o terreno para uma nova era de pesquisa, disseram os cientistas. “Qualquer coisa que chamaríamos de maravilha moderna da tecnologia incluiria, de uma forma ou de outra, esses elementos de terras raras”, disse Popovs. "Estamos adicionando o elo perdido."
