Pour la première fois, des scientifiques ont réussi à révéler les propriétés essentielles d’une mystérieuse substance radioactive appelée prométhium, près de huit décennies après sa découverte. Cette terre rare, découverte en 1945, fait partie d’un groupe d’éléments particulièrement importants dans les technologies modernes.
Qu’est-ce que le prométhium ?
LE prométhium est l’un des quinze éléments lanthanides situés au bas du tableau périodique. Les lanthanides, également appelés terres rares, possèdent des propriétés uniques telles qu’un fort magnétisme et des caractéristiques optiques particulières.
Les terres rares sont utilisées dans de nombreux domaines technologiques en raison de leurs propriétés exceptionnelles. Elles jouent un rôle crucial dans le fonctionnement des lasers, des écrans de smartphones ou encore des aimants très puissants présents dans les éoliennes et les véhicules électriques. Notons cependant que malgré leur nom, certaines d’entre elles ne sont pas si rares. En revanche, leur extraction et leur séparation sont souvent complexe et coûteux.
Une étude révolutionnaire
L’étude du prométhium a longtemps été problématique, principalement en raison de son nature radioactiveEn fait, contrairement à d’autres éléments, le prométhium ne possède pas d’isotope stable, ce qui signifie qu’il se désintègre en d’autres éléments au fil du temps. Il est donc difficile d’obtenir des échantillons adaptés à l’étude. Cet élément rare est généralement produit par un processus de fission dans les réacteurs nucléaires.
Le laboratoire national d’Oak Ridge (ORNL) aux États-Unis est le seul producteur américain de prométhium-147un isotope ayant une demi-vie de 2,6 ansGrâce à une méthode récemment développée, les chercheurs de l’installation ont réussi à séparer cet isotope des déchets des réacteurs nucléaires pour obtenir l’échantillon le plus pur possible.
Les scientifiques ont ensuite combiné l’échantillon de prométhium avec une molécule appelée ligand, conçue pour piéger les atomes métalliques et former un complexe stable dans l’eau. Cette molécule de coordination, connue sous le nom de PyDGA, a pu créer neuf liaisons entre le prométhium et l’oxygène, offrant aux scientifiques une occasion unique d’analyser les propriétés de liaison de l’élément.
Spectroscopie d’absorption des rayons X
Pour analyser les propriétés du prométhium, les chercheurs ont utilisé une technique très avancée et spécialisée appelée Spectroscopie d’absorption des rayons X basée sur le synchrotron. Cette méthode utilise des photons de haute énergie, qui sont des particules de lumière générées par un accélérateur de particules, une machine complexe qui accélère les particules à des vitesses extrêmement élevées.
Plus précisément, la spectroscopie d’absorption des rayons X consiste à mesurer la manière dont les photons sont absorbés par les atomes de l’échantillon. Lorsque les photons frappent les atomes de prométhium, ils excitent les électrons de ces atomes, ce qui les fait passer à des niveaux d’énergie plus élevés. En analysant le schéma d’absorption des rayons X, les scientifiques peuvent alors déterminer la position précise des atomes dans l’échantillon et mesurer la longueur des liaisons entre les atomes de prométhium et d’autres atomes, comme l’oxygène, dans le complexe formé.
En d’autres termes, cette méthode permet de distinguer les liaisons spécifiques du prométhium, même en présence d’autres éléments qui pourraient contaminer l’échantillon. Dans ce cas, le samarium, l’élément adjacent au prométhium dans le tableau périodique, pourrait potentiellement interférer. Cependant, grâce à la haute précision de la spectroscopie d’absorption des rayons X, les scientifiques ont pu exclure toute contamination par le samarium, garantissant ainsi que Les données collectées proviennent exclusivement de promethium.
Les découvertes et leurs implications
Les données obtenues à partir de ces analyses ont permis aux scientifiques de comparer les propriétés du prométhium avec celles d’autres éléments de la série des lanthanides. En comprenant comment le prométhium se lie à d’autres atomes, dont l’oxygène, les chercheurs peuvent voir comment il se compare aux autres lanthanides en termes de longueur de liaison, de force de liaison et de comportement chimique.
Cette comparaison est cruciale, car les terres rares partagent souvent des propriétés similaires, mais des différences subtiles peuvent influencer leur utilisation dans diverses applications technologiques. Par exemple, les différences dans la manière dont les éléments se lient entre eux peuvent affecter leurs propriétés magnétiques, leurs propriétés optiques ou leur capacité à catalyser des réactions chimiques. En complétant le tableau des propriétés chimiques des lanthanides, les scientifiques peuvent mieux comprendre les tendances et les variations périodiques entre ces éléments.
La compréhension de ces propriétés de liaison et de coordination aidera à développer de nouvelles méthodes pour séparer ces éléments Les métaux précieux peuvent être extraits plus efficacement. La séparation des terres rares, que l’on trouve souvent ensemble dans les minerais, est souvent coûteuse et complexe. Les informations obtenues grâce à cette étude pourraient conduire à des technologies de séparation plus efficaces qui réduiront les coûts et amélioreront l’efficacité de leur extraction.
Les résultats de cette étude ne se limitent pas à la séparation des terres rares. Ils pourraient également ouvrir la voie à nouvelles applications du prométhium et d’autres lanthanidesPar exemple, une meilleure compréhension de la chimie du prométhium pourrait permettre son utilisation dans de nouvelles technologies ou améliorer ses applications existantes dans les batteries atomiques et les diagnostics médicaux.
En outre, ces avancées pourraient susciter un intérêt accru pour l’étude du prométhium et des éléments similairesencourager davantage de chercheurs à explorer ces domaines. Cela pourrait conduire à des découvertes encore plus importantes qui enrichiront notre compréhension de la chimie des terres rares et de leurs applications potentielles.
En conclusion, la capture d’une image claire d’atomes individuels se comportant comme des ondes représente une avancée historique dans le domaine de la physique quantique. Cette réalisation spectaculaire fournit une démonstration visuelle de la dualité onde-particule, un concept fondamental au cœur de la mécanique quantique. Grâce à une technique d’imagerie innovante, les chercheurs ont pu observer directement la transition entre les états particule et onde des atomes, ouvrant la voie à une compréhension plus approfondie des propriétés quantiques de la matière.
Cette avancée promet non seulement d’enrichir notre connaissance des phénomènes quantiques, mais aussi d’éclairer certaines des questions les plus fondamentales de la physique contemporaine. L’étude des systèmes d’atomes en interaction forte, comme ceux présents dans les étoiles à neutrons ou dans le plasma quark-gluon, représente la prochaine étape de ces recherches. Ces futures investigations ont le potentiel de révéler de nouveaux aspects des états extrêmes de la matière et d’apporter de nouvelles perspectives sur les mystères profonds de l’Univers. Les avancées qui résulteront de ces travaux pourraient transformer notre compréhension du cosmos et des lois fondamentales qui le régissent.