Als Element 61, auch als Promethium bekannt, 1945 erstmals von Wissenschaftlern am Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums isoliert wurde, vervollständigte es die Reihe der als Lanthanoide bekannten chemischen Elemente. Aspekte der genauen chemischen Natur des Elements blieben jedoch bis letztes Jahr ein Rätsel, als ein Team von Wissenschaftlern des ORNL und des National Institute of Standards and Technology eine Kombination aus Experimenten und Computersimulationen verwendete, um das Promethium-Radionuklid zu reinigen und einen Koordinationskomplex zu synthetisieren, der zum ersten Mal charakterisiert wurde. Die Ergebnisse ihrer Arbeit wurden kürzlich veröffentlicht. veröffentlicht In Natur.
Promethium ist eines der 15 Lanthanoide, auch bekannt als Seltenerdelemente. Obwohl sie als „selten“ bezeichnet werden, werden viele dieser Elemente in der modernen Technologie häufig verwendet, beispielsweise in Elektromotoren, Raumfahrzeugbatterien und Strahlentherapie sowie in Smartphones und Computermonitoren.
Obwohl Promethium den Wissenschaftlern seit fast 80 Jahren bekannt ist, war es das einzige verbliebene Lanthanoid, das in gebundener Form charakterisiert wurde – eine Voraussetzung für die Bestimmung der elektronischen Struktur und Eigenschaften eines Elements. Der Grund dafür war, dass radioaktives Promethium aufgrund seiner kurzen Halbwertszeit (die Zeit, die zum Zerfall der Hälfte der Atomkerne einer bestimmten Menge eines radioaktiven Elements benötigt wird) von nur 2,5 Jahren in der Natur besonders schwer nachweisbar ist.
„Das ist Grundlagenforschung“, sagte Dmytro Bykov, ein theoretischer Chemiker und Gruppenleiter für Advanced Computing for Chemistry and Materials am ORNL, der gemeinsam mit Santanu Roy, ebenfalls vom ORNL, die computergestützte Spektroskopie-Simulation des Promethiumkomplexes leitete. „Seit der Entdeckung des Periodengesetzes haben wir ein gutes Verständnis aller Elemente, aber das ändert nichts an der Tatsache, dass man experimentieren muss, um dieses Verständnis zu bestätigen. Es war schön, dieses letzte Puzzleteil zu finden.“
Die experimentelle Untersuchung von Promethium umfasste die Entwicklung eines neuartigen, wasserlöslichen Komplexbildners und die Verwendung von Röntgenabsorptionsspektroskopie zur Bestimmung der elektronischen Struktur des Elements. Es gibt jedoch Teile des Bildes, die experimentell nicht leicht zu zeigen sind, daher wurde es mit theoretischer und computergestützter Chemie kombiniert, um ein vollständigeres Bild von Promethium zu zeichnen.
Das Team modellierte das Element mithilfe des IBM AC922-Supercomputers Summit, der sich in der Oak Ridge Leadership Computing Facility des ORNL befindet. Ihnen wurde im Rahmen des Director’s Discretionary Program Zeit auf dem Supercomputer gewährt. Das OLCF ist eine Benutzereinrichtung des Department of Energy Office of Science.
Bildnachweis: Oak Ridge National Laboratory
„Dies ist experimentelle Wissenschaft, also ist das Wichtigste, dass das Team das Element in gebundener Form gereinigt und charakterisiert hat. Aber das Sahnehäubchen ist, dass wir diese Simulationen durchführen konnten, um ein tieferes Verständnis der experimentellen Beobachtungen zu erlangen“, sagte Bykov.
Die Simulation der elektronischen Struktur von Promethium stellte eine ganz eigene Herausforderung dar und erforderte die Lösung komplexer Gleichungen zur Modellierung der Elektronen des Elements. Die vereinfachte Visualisierung der Atomstruktur, die in den meisten Lehrbüchern zu finden ist, zeigt einen Kern aus Protonen und Neutronen, die von Elektronen auf festen Bahnen umkreist werden. In Wirklichkeit sind Elektronen Quantenobjekte, deren Verhalten eher einer Welle ähnelt und deren genaue Position zu einem bestimmten Zeitpunkt eine Frage der Wahrscheinlichkeit ist. Der Schlüssel zur Simulation der Struktur von Promethium war die Lösung der Schrödinger-Gleichung.
Das Lösen der Gleichung beschreibt die Wellenfunktionen und Energien von Elektronen in einem Atom oder Molekül auf die gleiche Weise, wie eine einfache Wellengleichung die Schwingung einer gezupften Gitarrensaite beschreibt. Wissenschaftler verwenden diese Informationen und Beobachtungen aus der Spektroskopie dann, um das Atom oder Molekül in 3D darzustellen. Die Simulationen des Elements ergeben ein umfassenderes Bild, als es mit einem Experiment allein möglich wäre.
„Bei einem Experiment kann man meistens nicht alles messen. Man hat einen bestimmten Satz von Bedingungen und das Experiment ist eine Momentaufnahme. Im Computer können wir die Bedingungen ändern und ein tieferes Verständnis der Eigenschaften des Elements bekommen“, sagte Bykov.
„Wir alle stehen auf den Schultern von Giganten“, fuhr Bykov fort. „Wir hatten bereits viel Wissen und in diesem Labor wurde so viel Arbeit geleistet. Summit, diese wunderbare Maschine, wurde von sehr klugen Ingenieuren und Technikern gebaut. Und alles kam zusammen, um diese bemerkenswerte Verbindung dieses sehr seltenen Elements zum ersten Mal zu charakterisieren und vollständig zu verstehen.“
Mehr Informationen:
Darren M. Driscoll et al, Beobachtung eines Promethiumkomplexes in Lösung, Natur (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07267-6