ORNL科学家发现了钷的隐藏特征，为研究其他镧系元素开辟了一条途径。图片来源：Thomas Dyke，Dmytro Bykov，ORNL/美国能源部

1945 年，美国能源部橡树岭国家实验室的科学家首次分离出 61 号元素（也称为钷）时，它完成了一系列被称为镧系元素的化学元素。然而，直到去年，来自ORNL和美国国家标准与技术研究院的一组科学家使用实验和计算机模拟相结合来纯化钷放射性核素并合成一种配位复合物，这是第一次表征。他们的工作成果最近发表在《自然》杂志上。

钷是 15 种镧系元素之一，也称为稀土元素。尽管被称为“稀有”，但其中许多元素被广泛用于现代技术，包括电动机、航天器电池和放射治疗，以及智能手机和计算机显示器。

尽管科学家们已经知道钷近80年了，但它是唯一以束缚形式表征的镧系元素，这对于识别元素的电子结构和性质至关重要。这是因为放射性钷在自然界中特别难以捉摸，因为它的半衰期很短（在给定量的放射性元素中，一半的原子核衰变所需的时间）只有 2.5 年。

“这是基础研究，”ORNL的理论化学家兼化学和材料高级计算小组组长Dmytro Bykov说，他与ORNL的Santanu Roy共同领导了钷配合物的计算光谱模拟。“自从发现元素周期律以来，我们对所有元素都有很好的了解，但这并不能改变你需要实验来证实这种理解的事实。找到这最后的拼图真是太好了。

钷的实验研究包括开发一种新型的水溶性络合剂，并使用X射线吸收光谱法确定元素的电子结构。然而，有些画面是实验不容易显示的，因此它与理论和计算化学相结合，描绘了更完整的钷图像。

该团队使用位于 ORNL 橡树岭领导力计算设施的 IBM AC922 超级计算机峰会对该元素进行了建模。他们通过导演的自由裁量计划获得了在超级计算机上的时间。OLCF是能源部科学办公室的用户设施。

“这是实验科学，所以最重要的是团队以结合形式纯化和表征元素。但最重要的是，我们能够运行这些模拟，以便更深入地了解实验观察结果，“Bykov说。

模拟钷的电子结构有其自身的挑战，需要求解复杂的方程来模拟元素的电子。在大多数教科书中看到的原子结构的简化可视化显示了由电子在固定路径上绕行的质子和中子核。实际上，电子是量子物体，其行为更类似于波，它们在任何给定时刻的确切位置都是概率问题。模拟钷结构的关键是求解薛定谔方程。

求解方程描述了原子或分子中电子的波函数和能量，就像简单的波动方程描述了弹拨吉他弦的振动一样。然后，科学家利用这些信息和光谱学的观察结果来表示3D中的原子或分子。元素的模拟构建了比单独使用实验或实验所能创建的更全面的图像。

“在实验中，大多数时候，你无法测量所有东西。您有一组特定的条件，并且实验是一个快照。在计算机中，我们可以改变条件并更深入地了解元素的特性，“Bykov说。

“我们都站在巨人的肩膀上，”拜科夫继续说道。“我们已经掌握了很多知识，在这个实验室做了很多工作。Summit，这台了不起的机器，是由非常聪明的工程师和技术人员建造的。这一切汇集在一起，首次表征并充分理解了这种非常稀有元素的非凡化合物。

更多信息：Darren M. Driscoll 等人，溶液中钷络合物的观察，《自然》（2024 年）。DOI： 10.1038/s41586-024-07267-6

期刊信息： Nature