美國能源部橡樹嶺國家實驗室的研究小組觀察到了釩在水溶液中的鍵結行為，這在稀有元素中尚屬首次。釷是一種鑭系元素，它與氧的鍵結形式非常獨特，這為我們深入了解鑭系元素的收縮提供了線索，也為稀土金屬化學開闢了新的研究途徑。

這項突破性發現是利用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（BMM）在美國國家同步輻射光源II（位於美國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）上完成的。

雖然鯛很稀有，但它有幾種有趣的應用，包括製造夜光漆、放射治療、心臟起搏器和太空船的長效原子電池。由於鯛極不穩定，人們對這種放射性金屬仍有許多未知之處。了解其複雜的化學性質可以為更獨特的用途和引人入勝的後續研究鋪平道路。

圖為布魯斯-拉威爾在材料測量光束線。圖片來源：Kevin Coughlin/布魯克海文國家實驗室

釷被稱為”鑭系元素”或”稀土金屬”。這種金屬是元素週期表中位於下部、原子序數為57 到71 的15 種元素之一。雖然這些金屬的外觀和感覺相當相似，但它們都具有獨特的磁性和電子特性。這些獨特的性質可能源自於一種被稱為”鑭系收縮”的現象。據說，儘管原子序數在增加，但這些元素的原子半徑和離子半徑卻在減小，這與元素週期表中的其他組別很相似。因此，隨著原子序數的增加，原子的體積也會變小。科學家直到現在才在溶液中的所有鑭系元素中實驗觀察到這一現象。這項突破性研究成果最近發表在《自然》雜誌。

在任何時候，地球上自然存在的這種元素通常只有一磅多一點。鯛具有放射性，但它的半衰期極短。這在很大程度上決定了它的稀缺性。鯛同位素鯛-145 的最長半衰期只有17.7 年。 ORNL 利用生產用於太空探索的鈽的副產品，製造出了一個半衰期為2.6 年的鯛-147 樣品。一旦時鐘開始滴答作響，樣品就會立即開始衰變為更穩定的元素釤。

此圖顯示了（a）純化的鯛鹽照片和（b）描述釩原子與配體結合的分子結構的圖形，配體由兩個醯胺羰基氧原子和一個醚氧原子組成。資料來源：橡樹嶺國家實驗室

BMM光束線首席科學家、本研究的共同作者布魯斯-拉威爾（Bruce Ravel）說：”我們在光束線研究了地球上大約40%或50%的純化鯛。幾週後，釩樣品已無法使用，主要原因是溶液中的水分蒸發了。人都非常努力，以便快速、仔細地完成這項實驗的每一項工作。

樣本從ORNL 開始，科學家從高通量同位素反應器的廢料流中提取材料，並開始將鯛從其他廢料中分離出來。安全包裝樣品、將其從田納西州運送到紐約、讓NSLS-II 接收、然後在光束線進行實驗，所有這些都需要時間，而時間會帶走寶貴的鯛。

為了研究鯛的化學結構，科學家必須先將其穩定在水中。為此，他們使用了一種名為雙吡咯烷二乙二醇醯胺的水溶性配體。配體是與金屬原子結合的特殊分子。 XAS是一種成熟的同步加速器技術，它透過將X射線照射到樣品上並測量樣品成分對X射線的吸收情況來確定材料中原子的結構和性質。不同的原子以特定的能量吸收X 射線，這樣科學家就能確定材料中存在哪些元素以及它們是如何排列的。

“據我們所知，這是第一次有人在任何地方、任何同步加速器上用XAS 測量鯛元素，」拉威爾說。 “我們是有史以來第一次看到這樣的光譜，這本身就非常非常酷。我使用XAS 進行研究已經有很長一段時間了，但我從未見過別人從未見過的東西。”

在這種溶液中，鯛離子與鄰近的九個氧原子形成了結合。在分析和測量了該複合物後，研究小組能夠將這一結果與其餘的鑭系元素系列聯繫起來，並觀察到它符合理論上的收縮模式。

獲得了這一缺失的部分，研究小組就可以對整個系列進行分析，這其中有著自己有趣的模式。在系列開始時，鍵的縮短速度相當快，但在釷之後的較重鑭系元素中，鍵的長度縮短得更加穩定。揭示釹的化學性質本身就開啟了一個新的研究領域，而對鑭系元素更全面的了解則完成了一個缺失已久的難題。

編譯自/ scitechdaily