L'art conceptuel montre l'élément de terre rare prométhium dans un flacon entouré d'un ligand organique. Les scientifiques de l'ORNL ont découvert des caractéristiques cachées du prométhium, ouvrant la voie à la recherche sur d'autres éléments lanthanides. Crédit : Jacquelyn DeMink, art ; Thomas Dyke, photographie ; ORNL, Département américain de l'énergie
Les scientifiques ont réalisé une avancée significative dans la compréhension des propriétés du prométhium, un élément de terre rare aux caractéristiques insaisissables malgré son utilisation dans la technologie moderne.
Les scientifiques ont découvert les propriétés d'un élément de terre rare découvert pour la première fois il y a 80 ans dans le même laboratoire, ouvrant ainsi une nouvelle voie à l'exploration d'éléments essentiels à la technologie moderne, de la médecine aux voyages spatiaux.
Le prométhium a été découvert en 1945 aux laboratoires Clinton, aujourd'hui laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie, et continue d'être produit à l'ORNL en quantités infimes. Certaines de ses propriétés sont restées insaisissables malgré l’utilisation de l’élément terre rare dans des études médicales et dans les batteries nucléaires à longue durée de vie. Il porte le nom du Titan mythologique qui a livré le feu aux humains et dont le nom symbolise l'effort humain.
Recherche révolutionnaire à l’ORNL
« L'idée était d'explorer cet élément très rare pour acquérir de nouvelles connaissances », a déclaré Alex Ivanov, un scientifique de l'ORNL qui a codirigé la recherche. « Une fois que nous avons réalisé qu'il avait été découvert dans ce laboratoire national et à l'endroit où nous travaillons, nous avons ressenti l'obligation de mener cette recherche pour préserver l'héritage de l'ORNL. »
L’équipe de scientifiques dirigée par l’ORNL a préparé un complexe chimique de prométhium, qui a permis pour la première fois sa caractérisation en solution. Ainsi, ils ont dévoilé les secrets de ce lanthanide extrêmement rare, dont le numéro atomique est 61, au cours d’une série d’expériences méticuleuses.
Leur étude marquante, publiée le 22 mai dans la revue Naturemarque une avancée significative dans la recherche sur les terres rares et pourrait réécrire les manuels de chimie.

Cette recherche révolutionnaire sur le prométhium a été dirigée par, de gauche à droite, Alex Ivanov, Santa Jansone-Popova et Ilja Popovs, tous de l'ORNL. Crédit : Carlos Jones/ORNL, Département américain de l'énergie
Caractéristiques des Lanthanides
« Parce qu'il ne possède pas d'isotopes stables, le prométhium a été le dernier lanthanide découvert et a été le plus difficile à étudier », a déclaré Ilja Popovs de l'ORNL, qui a codirigé la recherche. La plupart des éléments des terres rares sont les lanthanides, éléments allant du 57 — lanthane — au 71 — lutétium — du tableau périodique. Ils ont des propriétés chimiques similaires mais diffèrent par leur taille.
Les 14 autres lanthanides sont bien compris. Ce sont des métaux dotés de propriétés utiles qui les rendent indispensables dans de nombreuses technologies modernes. Ce sont des bêtes de somme pour des applications telles que les lasers, les aimants permanents dans les éoliennes et les véhicules électriques, les écrans à rayons X et même les médicaments anticancéreux.
« Il existe des milliers de publications sur la chimie des lanthanides sans prométhium. C'était une lacune flagrante pour l'ensemble de la science », a déclaré Santa Jansone-Popova de l'ORNL, qui a codirigé l'étude. « Les scientifiques doivent assumer la plupart de ses propriétés. Nous pouvons désormais en mesurer certains.

Les membres de l'équipe du centre de développement du génie radiochimique de l'ORNL, où l'échantillon de prométhium a été purifié, comprenaient, de gauche à droite, Richard Mayes, Frankie White, April Miller, Matt Silveira et Thomas Dyke. Crédit : Carlos Jones/ORNL, Département américain de l'énergie
Capacités de recherche uniques
La recherche s'est appuyée sur des ressources et une expertise uniques disponibles dans les laboratoires nationaux du DOE. En utilisant un réacteur de recherche, des cellules chaudes et des superordinateurs, ainsi que les connaissances et compétences accumulées de 18 scientifiques dans différents domaines, les auteurs ont détaillé la première observation d'un complexe de prométhium en solution.
Les scientifiques de l'ORNL ont lié, ou chélaté, le prométhium radioactif avec des molécules organiques spéciales appelées ligands diglycolamide. Ensuite, à l’aide de la spectroscopie à rayons X, ils ont déterminé les propriétés du complexe, notamment la longueur de la liaison chimique du prométhium avec les atomes voisins – une première pour la science et une pièce manquante de longue date dans le tableau périodique des éléments.
Le prométhium est très rare ; seulement une livre environ est présente naturellement dans la croûte terrestre à un moment donné. Contrairement à d’autres éléments des terres rares, seules des quantités infimes de prométhium synthétique sont disponibles car il ne contient pas d’isotopes stables.
Pour cette étude, l’équipe de l’ORNL a produit l’isotope prométhium-147, avec une demi-vie de 2,62 ans, en quantité suffisante et avec une pureté suffisamment élevée pour étudier ses propriétés chimiques. ORNL est le seul producteur américain de prométhium 147.

L'équipe de recherche sur le prométhium, debout devant le Centre de développement du génie radiochimique de l'ORNL, comprenait, de gauche à droite, Santanu Roy, Thomas Dyke, Ilja Popovs, Richard Mayes, Darren Driscoll, Frankie White, Alex Ivanov, April Miller, Subhamay Pramanik, Santa Jansone- Popova, Sandra Davern, Matt Silveira, Shelley VanCleve et Jeffrey Einkauf. Crédit : Carlos Jones/ORNL, Département américain de l'énergie
L’équipe a notamment fourni la première démonstration d’une caractéristique de la contraction des lanthanides en solution pour toute la série des lanthanides, y compris le prométhium, de numéro atomique 61. La contraction des lanthanides est un phénomène dans lequel les éléments dont le numéro atomique est compris entre 57 et 71 sont plus petits que prévu. À mesure que le numéro atomique de ces lanthanides augmente, les rayons de leurs ions diminuent. Cette contraction crée des propriétés chimiques et électroniques distinctes car la même charge est limitée à un espace rétrécissant. Les scientifiques de l’ORNL ont reçu un signal clair de prométhium, ce qui leur a permis de mieux définir la forme de la tendance à travers la série.
« C'est vraiment étonnant d'un point de vue scientifique. J'ai été frappé une fois que nous avons eu toutes les données», a déclaré Ivanov. « La contraction de cette liaison chimique s’accélère le long de cette série atomique, mais après le prométhium, elle ralentit considérablement. Il s’agit d’une étape importante dans la compréhension des propriétés de liaison chimique de ces éléments et de leurs changements structurels le long du tableau périodique.
Beaucoup de ces éléments, comme ceux des séries des lanthanides et des actinides, ont des applications allant du diagnostic et du traitement du cancer aux technologies d'énergies renouvelables et aux batteries nucléaires à longue durée de vie pour l'exploration de l'espace lointain.
Implications pour la technologie et la science
Selon Jansone-Popova, cette réalisation facilitera entre autres la tâche difficile de séparation de ces éléments précieux. L’équipe travaille depuis longtemps sur la séparation de toute la série des lanthanides, « mais le prométhium était la dernière pièce du puzzle. C'était assez difficile », a-t-elle déclaré. « Vous ne pouvez pas utiliser tous ces lanthanides en mélange dans les technologies modernes de pointe, car vous devez d’abord les séparer. C'est là que la contraction devient très importante ; cela nous permet essentiellement de les séparer, ce qui reste une tâche assez difficile.
L'équipe de recherche a utilisé plusieurs installations de premier plan du DOE dans le cadre du projet. À l'ORNL, le prométhium a été synthétisé au High Flux Isotope Reactor, une installation utilisateur du DOE Office of Science, et purifié au Radiochemical Engineering Development Center, une installation polyvalente de traitement radiochimique et de recherche. Ensuite, l'équipe a effectué une spectroscopie d'absorption des rayons X à la National Synchrotron Light Source II, une installation utilisateur du DOE Office of Science au Brookhaven National Laboratory du DOE, travaillant spécifiquement à la ligne de lumière pour la mesure des matériaux, qui est financée et exploitée par l'Institut national de Normes et technologie.
L'équipe a également effectué des calculs de chimie quantique et des simulations de dynamique moléculaire à l'Oak Ridge Leadership Computing Facility, une installation utilisateur du DOE Office of Science à ORNL, en utilisant le supercalculateur Summit du laboratoire, la seule ressource informatique capable de fournir les calculs nécessaires à l'époque. De plus, les chercheurs ont utilisé les ressources du Compute and Data Environment for Science de l’ORNL. Ils s'attendent à ce que les futurs calculs soient effectués sur Frontier d'ORNL, le supercalculateur le plus puissant au monde et le premier système exascale, capable d'effectuer plus d'un quintillion de calculs chaque seconde.
Popovs a souligné que les réalisations menées par l'ORNL peuvent être attribuées au travail d'équipe. Chacun de Nature Les 18 auteurs du document ont été essentiels au projet, a-t-il déclaré.
Cette réalisation ouvre la voie à une nouvelle ère de recherche, ont déclaré les scientifiques. « Tout ce que nous qualifierions de merveille technologique moderne inclurait, sous une forme ou une autre, ces éléments de terres rares », a déclaré Popovs. « Nous ajoutons le chaînon manquant. »
Outre Popovs, Ivanov et Jansone-Popova de la Division des sciences chimiques de l'ORNL, les co-auteurs de l'article comprennent Darren Driscoll, Subhamay Pramanik, Jeffrey Einkauf, Santanu Roy et Thomas Dyke, également de la Division des sciences chimiques de l'ORNL ; Frankie White, Richard Mayes, Laetitia Delmau, Samantha Cary, April Miller et Sandra Davern de la Division science et technologie des radio-isotopes de l'ORNL ; Matt Silveira et Shelley VanCleve de la division de traitement et de fabrication des isotopes de l'ORNL ; Dmytro Bykov du Centre national des sciences informatiques de l'ORNL ; et Bruce Ravel du National Institute of Standards and Technology.
Ce travail a été principalement co-parrainé par le Bureau scientifique du DOE pour la synthèse de ligands, les études de complexation des lanthanides, les processus de cristallisation, les analyses spectroscopiques et les efforts de simulation. La production, la purification et la préparation de l’échantillon de prométhium ont été soutenues par le programme isotope du DOE, géré par le Bureau scientifique pour la R&D et la production d’isotopes. La collecte et le raffinement des données de diffraction des rayons X sur monocristal ont été soutenus par le Bureau scientifique du DOE.