بعد بحث استمر 80 سنة.. العلماء يحلون لغز عنصر البروميثيوم النادر

لأول مرة، كشف العلماء عن خصائص مهمة لمادة البروميثيوم الغامضة والمشعة، بعد ما يقرب من 8 عقود من اكتشاف هذا العنصر الأرضي النادر بعيد المنال.

البروميثيوم هو أحد عناصر اللانثانيد الخمسة عشر الموجودة في أسفل الجدول الدوري. تُعرف هذه المعادن أيضًا باسم الأتربة النادرة، وتتميز بعدد من الخصائص المفيدة، بما في ذلك المغناطيسية القوية والخصائص البصرية غير العادية، ما يجعلها ذات أهمية خاصة في الأجهزة الإلكترونية الحديثة.

"يستخدم البروميثيوم في أشعة الليزر؛ وهو جزء من شاشات هاتفك الذكي. كما يستخدم في مغناطيسات قوية جدًا في توربينات الرياح والمركبات الكهربائية،" هكذا يقول إيليا بوبوفز، عضو فريق البحث والتطوير في مختبر أوك ريدج الوطني (ORNL). وشارك في تأليف دراسة جديدة نشرت في مجلة Nature.

البروميثيوم نفسه، الذي اكتشفه علماء ORNL في عام 1945، له بعض التطبيقات البسيطة في البطاريات الذرية وتشخيص السرطان. لكن العلماء لديهم فهم محدود للغاية لكيمياء العنصر، ما يحول دون استخداماته على نطاق أوسع.

وشكلت دراسة العنصر المشع تحديًا دام عقودًا، ويرجع ذلك جزئيًا إلى صعوبة تأمين عينة مناسبة، كما قال عضو الفريق ألكسندر إيفانوف، لموقع لايف ساينس.

وقال إيفانوف: "لا يحتوي البروميثيوم على نظير مستقر، فكلها مشعة، ما يعني أنها تتحلل إلى عناصر أخرى مع مرور الوقت.. يتم الحصول على هذا العنصر من خلال عملية الانشطار، لذلك فهو نادر وصعب الدراسة".

المنتج الوحيد للبروميثيوم-147، وهو نظير للعنصر ذو نصف عمر مشع يبلغ 2.6 سنة. وباستخدام طريقة تم تطويرها العام الماضي، قام الباحثون بفصل هذا النظير عن تيارات نفايات المفاعلات النووية، ما أدى إلى إنشاء أنقى عينة ممكنة للدراسة.

ودمج الفريق هذه العينة مع جزيء مُصمم خصيصًا لاحتجاز ذرات المعادن، لتشكيل مركب مستقر في الماء. قام الجزيء المنسق، المعروف باسم PyDGA، بتشكيل تسع روابط بين البروميثيوم والأكسجين، ما أعطى الباحثين أول فرصة على الإطلاق لتحليل خصائص الترابط لمعقد البروميثيوم.

ومع ذلك، فإن التحليل في حد ذاته لم يكن مسألة تافهة.

وقال إيفانوف: "نظرًا لأن البروميثيوم مشع، فإنه بمجرد تحلله، يتحول إلى العنصر المجاور، وهو السماريوم". "لذلك سيكون لديك كمية صغيرة من التلوث على شكل سماريوم".

واستخدم الفريق تقنية متخصصة للغاية خاصة بالعناصر تسمى التحليل الطيفي لامتصاص الأشعة السينية المعتمد على السنكروترون. قصفت الفوتونات عالية الطاقة الناتجة عن معجل الجسيمات مجمع البروميثيوم لبناء صورة لمواقع الذرات وأطوال الروابط. سمحت الاختلافات الدقيقة في أطوال رابطة فلز الأكسجين للفريق بالتركيز على رابطة البروميثيوم والأكسجين الرئيسية، مع استبعاد أي سماريوم ملوث.

والأهم من ذلك، أن هذه المعلومات مكنت من مقارنة خصائص البروميثيوم مع المجمعات الأرضية النادرة الأخرى لأول مرة.

وقال بوبوفز: "نأمل أن تساعد الأفكار الأساسية التي نقدمها العلماء الآخرين على كيفية تصميم تقنيات فصل أفضل، وربما يمكن أن تحفز المزيد من الاهتمام بدراستها لتطبيقات أخرى".