一组研究人员最近对稀有元素锕的化学键在水中形成的方式进行了令人着迷的发现。确认一个科学理论是令人兴奋的，但体验全新的事物将这种兴奋提升到了另一个层次。美国能源部（DOE）橡树岭国家实验室（ORNL）的一组研究团队最近经历了这一点，他们观察到了锕在水相环境中的化学键形成。这项研究发生在材料测量光束线（BMM），这是一个由国家标准与技术研究院资助的设施，位于国家同步辐射光源 II（NSLS-II）——这是布鲁克海文国家实验室科学办公室的一个用户设施。
尽管锕稀缺，但它有几种引人注目的用途，例如用于生产特殊的夜光涂料、放射治疗和用于起搏器及航天器等设备的耐用原子电池。然而，它的高不稳定性仍使该放射性元素的许多特性未被探索。深入了解它复杂的化学特性可能导致更加独特的应用和进一步的研究。
锕被分类为“镧系元素”或“稀土金属”。它是周期表中位于下段的15种元素之一，原子序数从57到71。虽然这些金属具有相似的视觉和物理特性，但它们各自拥有独特的磁性和电子特性。这样的独特特征可能受到一种称为“镧系收缩”的现象的影响，这表明这些元素的原子和离子尺寸随着原子序数的增加而减小，与其他周期表中的分组类似。因此，随着系列的推移，原子变得更小。在这项研究之前，科学家们尚未在实验上观察到所有溶解在溶液中的镧系元素之间的这一趋势。这项开创性研究的结果最近发表在《自然》期刊上。
解决稀缺性和时间挑战
在地球上，自然形式的锕通常只有约一磅。该元素是放射性的，具有极短的半衰期，这显著地导致了其稀缺性。锕-145同位素的最长半衰期仅为17.7年。ORNL的研究人员设法利用在太空探索中产生的铀废物制作锕-147样本，锕-147的半衰期为2.6年。样本一旦从源头切割，就开始衰变成更稳定的元素钐。
“在这项研究的光束线上，我们大约拥有全球纯化锕供应的40%到50%。” BMM的首席光束科学家和该研究的共同作者布鲁斯·拉维尔（Bruce Ravel）表示。“几周后，锕不再可用，主要是因为溶液中的水开始蒸发。虽然这项研究确实引人入胜，但整个组织过程同样有趣。进行这项研究需要大量的后勤规划，所有参与者都付出了巨大的努力，以便迅速而仔细地执行实验的每一个方面。”
样本的旅程始于ORNL，科学家从高通量同位素反应堆的废物中提取材料，将锕从其他副产品中分离出来。团队然后需要小心包装样本并将其从田纳西州运输到纽约，接受NSLS-II的验收，最后在光束线上进行实验——所有这些都消耗了宝贵的时间，逐渐削弱了有限的锕供应。
体验一系列首次
为了分析锕的化学结构，科学家首先需要在水中稳定锕。他们通过使用一种名为双吡咯烷双醇酰胺的水溶性配体来实现。配体是附着在金属原子上的独特分子。在此之后，团队将样本运输到BMM，利用X射线吸收光谱（XAS）进行测量，XAS是一种著名技术，通过将X射线光照射到样本上并分析样本如何吸收X射线来研究材料的结构和性质。不同的原子在不同的能量水平下吸收X射线，这使研究人员能够确定哪些元素存在以及它们在材料中的组织情况。
“在我们了解的情况下，这是第一个在任何同步辐射上测量锕的实例。”拉维尔评论道。“我们是第一个观察到这样的光谱，这本身就是非常令人兴奋的。我已经从事XAS工作很长时间，从未遇到过没有其他人记录过的东西。”
在溶液中，锕离子与九个周围的氧原子建立了键。经过对复合物的分析和测量，研究人员能够将这些发现与更广泛的镧系系列相关联，确认它支持假设的收缩模式。
这种新的理解使团队能够评估整个镧系系列，揭示它自身有趣的趋势。结合初始系列时，键的缩短特别迅速，但对于锕之后的重镧系金属，键长的减少更为渐进。独立揭示锕的化学特性为研究开辟了新的途径，同时填补了对镧系元素先前不完整理解的空白。
“我们发现的结果与我们之前对镧系系列的科学了解相一致。”拉维尔分享道。“然而，我们解决了一个从未实现的困难测量。获得具体知识，而不是假设，才是优质科学的基础。填补我们对镧系元素理解中的这一空白非常重要。在科学界工作30年，我从未在街上冲出来喊‘发现了！’这是一项成就，但并不令人震惊。科学中最有价值的时刻不是来自某人喊‘发现了！’，而是来自某人沉思‘嗯，这很奇怪。’”
