Nguyên tố hóa học của thời đại hạt nhân
Promethium, với số nguyên tử 61, chỉ tồn tại trong tự nhiên với số lượng rất nhỏ. Lớp vỏ Trái Đất chỉ chứa khoảng nửa kg nguyên tố này.
Các nhà nghiên cứu lần đầu tiên phát hiện ra promethium bằng cách sản xuất nó vào năm 1945 tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge ở Tennessee trong chương trình làm giàu plutonium của Dự án Manhattan. Nó được đặt theo tên của người khổng lồ Hy Lạp Prometheus, người đã đánh cắp lửa và mang nó đến cho con người bởi năng lượng hạt nhân được coi là sự ra đời thứ hai của lửa có kiểm soát - hoặc ít nhất là một phát minh có tầm ảnh hưởng tương tự đối với nền văn minh nhân loại.
Promethium, "lửa của các vị thần", là nguyên tố nhân tạo được rèn ra trong lò lửa của Dự án Manhattan, dự án bí mật nhằm phát triển bom nguyên tử trong Thế chiến II. Sau hơn 70 năm ẩn mình trong bóng tối, promethium đã dần hé lộ những bí ẩn về tính chất hóa học và ứng dụng của nó, mở ra những cánh cửa mới cho khoa học và công nghệ.
Tuy nhiên, hành trình khám phá promethium rất dài và đầy rẫy những khởi đầu sai lầm. Trước khi phát hiện chính thức nguyên tố này, các nhà khoa học đã nghi ngờ sự tồn tại của một nguyên tố có số nguyên tử 61 do có những khoảng trống trong bảng tuần hoàn. Vào đầu những năm 1900, một số tuyên bố về khám phá đã được đưa ra, nhưng không có tuyên bố nào có thể được chứng minh bằng bằng chứng thuyết phục.
Mãi cho đến năm 1945, trong thời kỳ đỉnh cao của Thế chiến thứ hai và Dự án Manhattan, promethium cuối cùng đã được cô lập. Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge ở Tennessee, dẫn đầu bởi Jacob A. Marinsky, Lawrence E. Glendenin và Charles D. Coryell, đã xác định được promethium trong khi phân tích các sản phẩm phụ của quá trình phân hạch uranium trong lò phản ứng hạt nhân.
Nhưng do dự án mang tính bí mật nên phát hiện này không được công bố ngay lập tức. Chỉ sau khi chiến tranh kết thúc, những phát hiện này mới được công bố và sự tồn tại của promethium mới chính thức được xác nhận.
Việc nghiên cứu tính chất hóa học của promethium gặp nhiều khó khăn do sự tồn tại ngắn ngủi của nó. Các nhà khoa học phải sử dụng những kỹ thuật tiên tiến nhất vào thời điểm đó để thu thập đủ dữ liệu cho nghiên cứu.
Promethium hiện nay được sản xuất thường xuyên từ sự phân rã phóng xạ của uranium, mặc dù với số lượng rất nhỏ. Promethium có thể được sử dụng trong các hợp chất đơn giản để sản xuất sơn dạ quang hoặc pin hạt nhân. Tuy nhiên, bản chất phóng xạ cao của nó lại khiến promethium có tính không ổn định. Sự không ổn định này làm phức tạp việc hình thành các hợp chất lâu dài, cần thiết cho nghiên cứu chi tiết. Hơn nữa, cấu trúc tinh thể của nó tác động lực lên các liên kết hóa học của promethium, che khuất thành phần hóa học cơ bản của nó.
Alexander Ivanov và các đồng nghiệp của ông tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge hiện đã vượt qua được những thách thức này. Họ đã tạo được hợp chất promethium trong nước. Phương pháp này làm giảm một số tác hại của phóng xạ và tránh được tác động che khuất của cấu trúc tinh thể. Kết quả là, lần đầu tiên nhóm nghiên cứu có thể nghiên cứu chi tiết tính chất hóa học của nguyên tố này.
Tiến sĩ Ilja Popovs, cũng từ Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge, cho biết: "Bởi vì nó không có đồng vị ổn định nên promethium là nguyên tố lanthanide cuối cùng được phát hiện và là nguyên tố khó nghiên cứu nhất".
"Có hàng nghìn ấn phẩm về tính chất hóa học của lanthanide không có promethium và đó là một khoảng trống rõ ràng đối với toàn bộ ngành khoa học", tiến sĩ Santa Jansone-Popova từ Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge cho biết.
Đột phá với PyDGA
Các nhà nghiên cứu đã tổng hợp một hợp chất gọi là bispyrrolidine diglycolamide (PyDGA), được biết là tạo thành các hợp chất ổn định với các nguyên tố tương tự như promethium. Khi promethium được đưa vào trong dung dịch, nó tạo thành Pm-PyDGA, một hợp chất có màu hồng sáng nổi bật do cấu trúc electron của nó.
Để thăm dò liên kết hóa học của nó, Ivanov và nhóm của ông sau đó chiếu tia X vào hợp chất và đo tần số mà nó hấp thụ. Điều này cho thấy promethium được liên kết hóa học như thế nào. Độ dài liên kết giữa promethium và các nguyên tử oxy gần đó là khoảng 1/4 nanomet, phù hợp với mô phỏng máy tính của họ.
Andrea Sella tại Đại học College London nói với New Scientist : "Đó là một phản ứng hóa học khá đẹp và việc nhìn thấy màu hồng tinh tế của phức hợp này thực sự là một niềm vui".
Thông tin về đặc tính liên kết của promethium sẽ giúp cải thiện quy trình sản xuất các mẫu tinh khiết hơn với số lượng lớn hơn từ chất thải phóng xạ. Điều này có thể dẫn đến việc thiết kế các hợp chất y tế mới, chẳng hạn như các hợp chất được sử dụng trong chụp ảnh phóng xạ hoặc điều trị ung thư. Ivanov cho biết: "Loại thông tin cơ bản này có thể giúp chúng tôi thúc đẩy các công nghệ mới".
Hơn nữa, nghiên cứu này có thể tác động đến sự phát triển của pin hạt nhân và vật liệu phát sáng. Các đặc tính độc đáo của hợp chất promethium có thể mang lại nguồn năng lượng và ánh sáng hiệu quả hơn và lâu dài hơn, điều này rất quan trọng trong môi trường xa xôi hoặc khắc nghiệt nơi các nguồn năng lượng truyền thống không hoạt động.
Những phát hiện này xuất hiện trên tạp chí Nature.