在发现近80年后，元素周期表中最稀有、最神秘的一种元素，终于公开了一些关键的化学秘密。

美国橡树岭国家实验室的研究人员首次使用放射性钷制造出一种化学“复合物”——与周围的一些分子结合在一起的化合物。这一合成壮举使科学家能够研究该元素如何在水溶液中与其他原子结合。5月22日发表于《自然》的这一成果填补了化学教科书中的一个长期空白，并有望找到从核废料中分离钷和类似元素的更好方法。

“这是一项杰作。”未参与该研究的美国劳伦斯·伯克利国家实验室化学家Polly Arnold说。

1945年发现的钷是由15种金属组成的镧系元素家族中最难以捉摸的成员。研究人员估计，目前地壳中天然存在的钷不到1公斤，它此前已被用于为心脏起搏器和航天器提供动力。

镧系元素与其他几种金属元素一起被称为稀土元素，其中许多元素因在激光和强力磁铁等技术领域的应用而备受青睐。尽管许多稀土元素在地壳中含量丰富，但它们很难被分离出来。部分原因是它们具有非常相似的化学性质，这使得仅提取一种镧系元素并与其他元素分离成为一项挑战。

目前的分离方法通常将被称为配体的分子与溶液中带正电的镧系离子结合，形成配位络合物，然后利用这些复合物之间的细微差别将它们分离。例如，使用有机溶剂有选择性地将复合物从水中洗出来。“但要进行很多次分离才能得到纯净的提取物。”该研究共同负责人、橡树岭国家实验室化学家Ilja Popovs说。

对于致力于改进分离方法的研究人员来说，他们只成功制造了少量的钷化合物，并且都是简单的固体，比如氧化物。但科学家从来没有合成出能够显示钷如何在溶液中与分离配体结合的复合物。

在这项研究中，橡树岭国家实验室的科学家利用钷-147填补了这一空白。钷-147是一种半衰期约为2.5年的放射性同位素，他们从生产放射性钚产生的废料中收集到钷-147。像所有其他镧系元素一样，钷倾向于形成带3个正电荷的离子。

研究小组将这些离子与一种叫作双吡咯烷二醇酰胺的配体结合，这种配体含有3个富电子氧原子。3个配体与每个钷离子相结合，生成了含有9个钷-氧键的复合物。

利用X射线吸收光谱和理论模拟，研究人员测量了这些键的平均长度。他们发现，氧通过提供电子对来形成化学键，这些电子对整齐地填充在钷周围的空能级，即所谓轨道上。

“这是一项非常困难、技巧高超的工作。”Arnold说。

最后，为了观察钷复合物是如何与其他镧系元素复合物结合的，研究人员将相同的配体与所有其他镧系元素结合在一起。这产生了溶液中类似镧系化合物的第一个完整集合，并揭示了在元素周期表镧系元素系列中，镧系-氧键的长度是如何从左到右减少的——这是众所周知的镧系收缩效应的结果。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07267-6