Lorsque l’élément 61, également connu sous le nom de prométhium, a été isolé pour la première fois par des scientifiques du laboratoire national d’Oak Ridge du ministère de l’Énergie en 1945, il complétait la série d’éléments chimiques connus sous le nom de lanthanides. Cependant, certains aspects de la nature chimique exacte de l’élément sont restés un mystère jusqu’à l’année dernière, lorsqu’une équipe de scientifiques de l’ORNL et du National Institute of Standards and Technology a utilisé une combinaison d’expérimentation et de simulation informatique pour purifier le radionucléide prométhium et synthétiser un complexe de coordination. qui a été caractérisé pour la première fois. Les résultats de leurs travaux ont été récemment publié dans Nature.
Le prométhium est l’un des 15 lanthanides, également appelés éléments des terres rares. Bien qu’ils soient qualifiés de « rares », bon nombre de ces éléments sont largement utilisés dans la technologie moderne, notamment les moteurs électriques, les batteries d’engins spatiaux et la radiothérapie, ainsi que les téléphones intelligents et les écrans d’ordinateur.
Bien que les scientifiques connaissent le prométhium depuis près de 80 ans, c’était le seul lanthanide restant à être caractérisé sous sa forme liée, essentielle pour identifier la structure et les propriétés électroniques d’un élément. En effet, le prométhium radioactif est de nature particulièrement insaisissable en raison de sa courte demi-vie (le temps qu’il faut à la moitié des noyaux d’une quantité donnée d’un élément radioactif pour se désintégrer) de seulement 2,5 ans.
« Il s’agit d’une recherche fondamentale », a déclaré Dmytro Bykov, chimiste théoricien et chef de groupe pour le calcul avancé pour la chimie et les matériaux à l’ORNL, qui a codirigé la simulation de spectroscopie informatique du complexe de prométhium avec Santanu Roy, également de l’ORNL. « Depuis la découverte de la loi périodique, nous avons une bonne compréhension de tous les éléments, mais cela ne change rien au fait qu’il faut expérimenter pour confirmer cette compréhension. C’était bien de trouver cette dernière pièce du puzzle. »
L’étude expérimentale du prométhium comprenait le développement d’un nouvel agent complexant soluble dans l’eau et l’utilisation de la spectroscopie d’absorption des rayons X pour déterminer la structure électronique de l’élément. Cependant, il y a des éléments du tableau que l’expérimentation ne peut pas facilement montrer, c’est pourquoi ils ont été combinés avec la chimie théorique et informatique pour brosser un tableau plus complet du prométhium.
L’équipe a modélisé l’élément à l’aide du supercalculateur IBM AC922 Summit, situé au Oak Ridge Leadership Computing Facility de l’ORNL. Ils ont obtenu du temps sur le superordinateur dans le cadre du programme discrétionnaire du directeur. L’OLCF est un établissement utilisateur du Bureau des sciences du ministère de l’Énergie.
Crédit : Laboratoire national d’Oak Ridge
« Il s’agit de science expérimentale, donc le plus important est que l’équipe ait purifié et caractérisé l’élément sous sa forme liée. Mais la cerise sur le gâteau est que nous avons pu exécuter ces simulations pour une compréhension plus approfondie des observations expérimentales », a déclaré Bykov. dit.
La simulation de la structure électronique du prométhium présentait ses propres défis et nécessitait de résoudre des équations complexes pour modéliser les électrons de l’élément. La visualisation simplifiée de la structure atomique que l’on retrouve dans la plupart des manuels montre un noyau de protons et de neutrons en orbite autour d’électrons sur des trajectoires fixes. En réalité, les électrons sont des objets quantiques dont le comportement s’apparente davantage à celui d’une onde, et leur position exacte à un instant donné est une question de probabilité. La clé pour simuler la structure du prométhium était de résoudre l’équation de Schrödinger.
La résolution de l’équation décrit les fonctions d’onde et les énergies des électrons dans un atome ou une molécule de la même manière qu’une simple équation d’onde décrit la vibration d’une corde de guitare pincée. Les scientifiques utilisent ensuite ces informations et observations spectroscopiques pour représenter l’atome ou la molécule en 3D. Les simulations de l’élément créent une image plus complète que celle qui peut être créée avec une ou une expérience seule.
« La plupart du temps, dans une expérience, vous ne pouvez pas tout mesurer. Vous disposez d’un ensemble spécifique de conditions et l’expérience est un instantané. Dans l’ordinateur, nous pouvons modifier les conditions et mieux comprendre les propriétés de l’élément, » a déclaré Bykov.
« Nous sommes tous portés sur les épaules de géants », a poursuivi Bykov. « Nous avions déjà beaucoup de connaissances et beaucoup de travail a été effectué dans ce laboratoire. Summit, cette merveilleuse machine, a été construite par des ingénieurs et des techniciens très intelligents. Et tout s’est réuni pour caractériser et comprendre pleinement ce remarquable composé de ce élément très rare pour la première fois. »
Plus d’information:
Darren M. Driscoll et al, Observation d’un complexe de prométhium en solution, Nature (2024). DOI : 10.1038/s41586-024-07267-6