Découverte majeure : un élément rare dévoile ses propriétés cachées

Des scientifiques ont récemment mis en lumière les propriétés d’un élément de terre rare découvert il y a 80 ans dans le même laboratoire, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives pour l’exploration d’éléments cruciaux dans les technologies modernes, allant de la médecine aux voyages spatiaux.

Découverte et production du prométhium

Le prométhium, découvert en 1945 aux Clinton Laboratories, aujourd’hui connu sous le nom de Oak Ridge National Laboratory (ORNL) du Département de l’Énergie des États-Unis, continue d’être produit en quantités infimes à l’ORNL. Bien que cet élément de terre rare soit utilisé dans des études médicales et des batteries nucléaires à longue durée de vie, certaines de ses propriétés sont restées insaisissables.

Alex Ivanov, un scientifique de l’ORNL qui a co-dirigé la recherche, a déclaré : « L’idée était d’explorer cet élément très rare pour acquérir de nouvelles connaissances. Une fois que nous avons réalisé qu’il avait été découvert dans ce laboratoire national, nous avons ressenti l’obligation de mener cette recherche pour perpétuer l’héritage de l’ORNL. »

Une équipe de scientifiques dirigée par l’ORNL a préparé un complexe chimique de prométhium, permettant ainsi sa caractérisation en solution pour la première fois. Grâce à une série d’expériences méticuleuses, ils ont révélé les secrets de ce lanthanide extrêmement rare, dont le numéro atomique est 61.

Cette étude marquante, publiée dans la revue Nature, représente une avancée significative dans la recherche sur les terres rares et pourrait réécrire les manuels de chimie. Ilja Popovs, de l’ORNL, a souligné : « Parce qu’il n’a pas d’isotopes stables, le prométhium a été le dernier lanthanide à être découvert et le plus difficile à étudier. »

Importance des lanthanides

Les autres 14 lanthanides sont bien compris. Ce sont des métaux aux propriétés utiles qui les rendent indispensables dans de nombreuses technologies modernes, comme les lasers, les aimants permanents dans les éoliennes et les véhicules électriques, les écrans à rayons X et même les médicaments contre le cancer.

Santa Jansone-Popova, de l’ORNL, a ajouté : « Il y a des milliers de publications sur la chimie des lanthanides sans le prométhium. C’était une lacune flagrante pour toute la science. Maintenant, nous pouvons réellement mesurer certaines de ses propriétés. »

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 diglycolamides. Ensuite, en utilisant la spectroscopie des rayons X, ils ont déterminé les propriétés du complexe, y compris la longueur de la liaison chimique du prométhium avec les atomes voisins — une première pour la science et une pièce manquante de longue date au tableau périodique des éléments.

Applications et implications futures

Le prométhium est très rare ; seulement environ une livre se trouve naturellement dans la croûte terrestre à tout moment. Contrairement aux autres éléments de terre rare, seules des quantités infimes de prométhium synthétique sont disponibles car il n’a 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 quantités suffisantes et à une pureté suffisamment élevée pour étudier ses propriétés chimiques. L’ORNL est le seul producteur de prométhium-147 aux États-Unis.

Notamment, l’équipe a fourni la première démonstration d’une caractéristique de la contraction des lanthanides en solution pour toute la série des lanthanides, y compris le prométhium, numéro atomique 61. La contraction des lanthanides est un phénomène dans lequel les éléments avec des numéros atomiques entre 57 et 71 sont plus petits que prévu.

À mesure que les numéros atomiques de ces lanthanides augmentent, les rayons de leurs ions diminuent. Cette contraction crée des propriétés chimiques et électroniques distinctives car la même charge est limitée à un espace de plus en plus réduit.

Conclusion et perspectives

Alex Ivanov a précisé : « C’est vraiment étonnant d’un point de vue scientifique. J’ai été frappé une fois que nous avions toutes les données. La contraction de cette liaison chimique s’accélère le long de cette série atomique, mais après le prométhium, elle ralentit considérablement. C’est une étape importante dans la compréhension des propriétés de liaison chimique de ces éléments et de leurs changements structurels le long du tableau périodique. »

De nombreux éléments de cette série, tels que ceux des séries des lanthanides et des actinides, ont des applications allant du diagnostic et du traitement du cancer aux technologies d’énergie renouvelable et aux batteries nucléaires à longue durée de vie pour l’exploration spatiale.

Selon Jansone-Popova, cette réalisation facilitera, entre autres, la tâche difficile de séparer ces éléments précieux. L’équipe travaille depuis longtemps sur les séparations pour 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 comme un mélange dans les technologies avancées modernes, car vous devez d’abord les séparer. C’est là que la contraction devient très importante ; elle nous permet essentiellement de les séparer, ce qui est encore une tâche assez difficile. »

Les scientifiques ont déclaré que cette réalisation ouvre la voie à une nouvelle ère de recherche. « Tout ce que nous appellerions une merveille technologique moderne inclurait, sous une forme ou une autre, ces éléments de terre rare, » a conclu Ilja Popovs. « Nous ajoutons le maillon manquant. »

Légende illustration : L’art conceptuel montre l’élément de terre rare prométhium dans une fiole entourée d’un ligand organique. Les scientifiques de l’ORNL ont découvert des caractéristiques cachées du prométhium, ouvrant ainsi la voie à la recherche d’autres éléments lanthanides. Crédit : Jacqueline DeMink, art ; Thomas Dyke, photographie ; ORNL, U.S. Dept. of Energy

Article: s41586-024-07267-6