Когда элемент 61, также известный как прометий, был впервые выделен учеными Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики США в 1945 году, он завершил ряд химических элементов, известных как лантаноиды. Однако аспекты точной химической природы элемента оставались загадкой до прошлого года, когда группа ученых из ORNL и Национального института стандартов и технологий использовала сочетание экспериментов и компьютерного моделирования для очистки радионуклида прометия и синтеза координационного комплекса. что было охарактеризовано впервые. Результаты их работы недавно были опубликованы в журнале Nature.
Прометий — один из 15 лантаноидов, также известных как редкоземельные элементы. Несмотря на то, что их называют «редкими», многие из этих элементов широко используются в современных технологиях, включая электродвигатели , аккумуляторы космических кораблей и лучевую терапию, а также в смартфонах и компьютерных мониторах.
Хотя ученые знали о прометии уже почти 80 лет, это был единственный оставшийся лантанид, который можно было охарактеризовать в связанной форме, что необходимо для определения электронной структуры и свойств элемента. Это произошло потому, что радиоактивный прометий особенно неуловим по своей природе из-за его короткого периода полураспада (время, необходимое для распада половины ядер в заданном количестве радиоактивного элемента), составляющего всего 2,5 года.
«Это фундаментальное исследование», — сказал Дмитрий Быков, химик-теоретик и руководитель группы перспективных вычислений в области химии и материалов в ORNL, который совместно с Сантану Роем, также из ORNL, руководил компьютерным спектроскопическим моделированием прометиевого комплекса. «С момента открытия периодического закона мы хорошо поняли все элементы, но это не меняет того факта, что вам нужно экспериментировать, чтобы подтвердить это понимание. Было приятно найти этот последний кусочек головоломки».
Экспериментальное исследование прометия включало разработку нового водорастворимого комплексообразователя и использование рентгеновской абсорбционной спектроскопии для определения электронной структуры элемента. Однако есть части картины, которые эксперименты не могут легко показать, поэтому их объединили с теоретической и вычислительной химией , чтобы нарисовать более полную картину прометия.
Команда смоделировала элемент с помощью суперкомпьютера IBM AC922 Summit, расположенного в вычислительном центре Oak Ridge Leadership Computing Facility в ORNL. Им было предоставлено время на суперкомпьютере в рамках Дискреционной программы директора. OLCF является пользовательским объектом Управления науки Министерства энергетики.
«Это экспериментальная наука, поэтому самое главное, что команда очистила и охарактеризовала элемент в связанном виде. Но вишенкой на торте является то, что мы смогли запустить эти симуляции для более глубокого понимания экспериментальных наблюдений», — сказал Быков. сказал.
Моделирование электронной структуры прометия представляло свои проблемы и требовало решения сложных уравнений для моделирования электронов элемента. Упрощенная визуализация атомной структуры, представленная в большинстве учебников, показывает ядро, состоящее из протонов и нейтронов, вокруг которых вращаются электроны по фиксированным траекториям. На самом деле электроны — это квантовые объекты, поведение которых больше похоже на волну, и их точное положение в любой данный момент является вопросом вероятности. Ключом к моделированию структуры прометия было решение уравнения Шрёдингера.
Решение уравнения описывает волновые функции и энергии электронов в атоме или молекуле точно так же, как простое волновое уравнение описывает вибрацию натянутой гитарной струны. Затем ученые используют эту информацию и наблюдения спектроскопии для представления атома или молекулы в 3D. Моделирование элемента создает более полную картину, чем можно создать с помощью одного только эксперимента.
«Большую часть времени в эксперименте вы не можете измерить все. У вас есть определенный набор условий, и эксперимент представляет собой снимок. В компьютере мы можем изменить условия и получить более глубокое понимание свойств элемента»», — сказал Быков.
«Мы все стоим на плечах гигантов», — продолжил Быков. «У нас уже было много знаний, и в этой лаборатории было проделано так много работы. Summit, эта чудесная машина, была построена очень умными инженерами и техническими специалистами. И все это собралось вместе, чтобы охарактеризовать и полностью понять это замечательное соединение этого очень редкий элемент впервые».
