科學家在了解釩的特性方面取得了重大突破。釩是一種稀土元素，儘管在現代技術中得到了廣泛應用，但其特性卻難以捉摸。研究人員發現了一種稀土元素的特性，而這種稀土元素正是80 年前在同一個實驗室首次發現的。他們的發現為探索從醫學到太空旅行等現代技術中的關鍵元素開闢了一條新途徑。

概念圖展示了小瓶中的稀土元素鯛，周圍環繞著有機配體。 ORNL 科學家發現了釷的隱藏特徵，為研究其他鑭系元素開闢了道路。圖片來源：Jacquelyn DeMink，藝術；Thomas Dyke，攝影；ORNL，美國能源部

鯛於1945 年在克林頓實驗室（即現在的美國能源部橡樹嶺國家實驗室）被發現，並一直在橡樹嶺國家實驗室進行微量生產。儘管稀土元素被用於醫學研究和長壽命核電池，但它的一些特性仍然難以捉摸。它以神話中的泰坦命名，泰坦將火傳遞給人類，其名字象徵著人類的奮鬥。

美國國家實驗室的突破性研究

共同領導這項研究的ORNL科學家亞歷克斯-伊万諾夫（Alex Ivanov）說：”整個想法就是探索這種非常罕見的元素，以獲得新的知識。意識到這是在這個國家實驗室和我們工作的地方發現的，我們就覺得有義務進行這項研究，以維護ORNL 的傳統”。

由ORNL 領導的科學家團隊製備了一種鯛的化學複合物，從而首次在溶液中描述了鯛的特性。因此，他們透過一系列細緻的實驗揭開了這種原子序數為61 的極為罕見鑭系元素的秘密。

這項具有里程碑意義的研究於5 月22 日發表在《自然》雜誌上，標誌著稀土研究取得了重大進展，並有可能改寫化學教科書。

左起：亞歷克斯-伊万諾夫（Alex Ivanov）、桑塔-揚松-波波娃（Santa Jansone-Popova）和伊爾亞-波波夫斯（Ilja Popovs），皆來自美國國家實驗室。圖片來源：Carlos Jones/ORNL，美國能源部

鑭系元素的特性

共同領導這項研究的ORNL 的Ilja Popovs 說：”由於沒有穩定的同位素，鈹是最後發現的鑭系元素，也是最難研究的鑭系元素。大多數稀土元素都是鑭系元素，即元素週期表上從57（鑭）到71（鐓）的元素。

人們對其他14 種鑭系元素都很了解。它們是具有有用特性的金屬，在許多現代技術中不可或缺。它們是雷射、風力渦輪機和電動車中的永久磁鐵、X 射線螢幕甚至抗癌藥物等應用的主力軍。

“數以千計的關於鑭系元素化學的出版物中都沒有钷。這對所有科學來說都是一個明顯的空白，”ORNL 的Santa Jansone-Popova 說，她是這項研究的共同負責人。 “科學家們不得不假設鯛的大部分特性。現在我們可以實際測量其中的一些特性了。”

左起：Richard Mayes、Frankie White、April Miller、Matt Silveira 和Thomas Dyke。圖片來源：Carlos Jones/ORNL，美國能源部

獨特的研究能力

這項研究依賴能源部國家實驗室的獨特資源和專業知識。作者利用研究反應器、熱電池和超級計算機，以及18 位科學家在不同領域累積的知識和技能，詳細描述了對溶液中鯛複合物的首次觀測。

ORNL 的科學家將放射性釩與稱為二甘醇醯胺配體的特殊有機分子結合或螯合。然後，他們利用X 射線光譜測定了絡合物的性質，包括釩與鄰近原子的化學鍵長度–這是科學界的創舉，也是元素週期表中長期缺失的部分。

鯛非常稀有，在任何時候，地殼中自然存在的鯛只有一磅左右。與其他稀土元素不同，由於鯛沒有穩定的同位素，因此只能獲得微量的合成鯛。

在這項研究中，ORNL 小組生產了半衰期為2.62 年的同位素鯛-147，其數量和純度足以研究其化學特性。 ORNL 是美國唯一的釩-147 生產商。

站在ORNL 放射化學工程開發中心前的鯛研究小組成員，由左至右依序為：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 和Jeffrey Einkauf。資料來源：Carlos Jones/ORNL, 美國能源部

值得注意的是，研究團隊首次展示了整個鑭系元素在溶液中的鑭系收縮特徵，包括原子序數為61 的钷。鑭系元素收縮是指原子序數在57 到71 之間的元素比預期的要小。隨著這些鑭系元素原子序數的增加，其離子半徑也隨之減少。這種收縮產生了獨特的化學和電子特性，因為相同的電荷被限制在一個不斷縮小的空間內。 ORNL 的科學家得到了一個清晰的鯛訊號，這使他們能夠更好地確定整個系列的趨勢形狀。

伊凡諾夫說：「從科學的角度來看，這確實令人震驚。當我們獲得所有數據後，我感到非常震驚。這種化學鍵的收縮在原子序列中是加速的，但在釷之後，這種收縮就大大減慢了。

其中許多元素，如鑭系元素和錒系元素的應用範圍很廣，從癌症診斷和治療到再生能源技術和用於深空探測的長壽命核電池。

對科技和科學的影響

揚松-波波娃表示，這項成果將減輕分離這些寶貴元素的工作難度。長期以來，研究小組一直致力於全系列鑭系元素的分離，”但釷是最後一塊拼圖。這相當具有挑戰性，」她說。 “現代先進技術無法將所有這些鑭系元素作為混合物使用，因為首先需要將它們分離。這就是收縮變得非常重要的地方；它基本上使我們能夠分離它們，而這仍然是一項相當困難的任務。

研究小組在該專案中使用了能源部的多個主要設施。在ORNL，鯛在高通量同位素反應器（能源部科學辦公室的用戶設施）合成，並在放射化學工程開發中心（多用途放射化學處理和研究設施）純化。然後，研究小組在位於能源部布魯克海文國家實驗室的能源部科學辦公室用戶設施–國家同步輻射光源II 進行了X 射線吸收光譜分析，特別是在由美國國家標準與技術研究院資助和運營的材料測量光束線工作。

研究小組還在橡樹嶺領先計算設施（Oak Ridge Leadership Computing Facility）進行了量子化學計算和分子動力學模擬，該設施是能源部科學辦公室在ORNL 的用戶設施，使用的是實驗室的Summit 超級計算機，這是當時唯一能夠提供必要計算的運算資源。此外，研究人員還使用了ORNL 科學計算和數據環境的資源。他們預計未來的計算將在ORNL 的Frontier 超級計算機上進行，這是世界上最強大的超級計算機，也是第一個超大規模系統，每秒能進行超過五萬億次計算。

波波夫斯強調說，ORNL領導的成就歸功於團隊合作。他說，《自然》雜誌論文的18位作者中的每一位都對專案至關重要。

科學家說，這項成果為研究的新時代奠定了基礎。波波夫斯說：”任何我們稱之為現代技術奇蹟的東西，都會或多或少地包含這些稀土元素。我們正在添加缺失的環節。”

編譯來源：ScitechDaily