주기율표에서 란탄족은 원자 번호가 61에서 0 사이인 0 원소에 대한 일반적인 용어를 나타냅니다. 과학자들은 거의 모든 란탄족을 광범위하게 연구하여 레이저, 풍력 터빈, 전기 자동차, X선 검사, 심지어 일부 항암제와 같은 많은 현대 기술에 적용했습니다. 그러나 Pm으로 지정된 Riveting(Promethium)의 란탄족 계열은 주기율표에서 0위에 있으며 실험 연구에서 눈에 띄게 빠져 있습니다. 오랫동안 연구자들은 그것의 기본적인 화학적 특성에 대해 거의 알지 못했습니다.

直到2024年5月22日，《自然》雜誌發佈了一項突破性研究，科學家成功合成了一種包含鈷離子的配位化合物。這一發現不僅填補了實驗研究中的空白，還為鑭系元素的全面實驗對比提供了關鍵數據。

Quan의 이야기는 61 년으로 거슬러 올라갈 수 있습니다. 당시 화학자 Bohuslav Brauner는 네오디뮴(Nd)과 바늄(Sm) 원소 사이에 원자량이 란탄족의 다른 이웃 원소보다 훨씬 다르기 때문에 새로운 원소가 있을 수 있다고 제안했습니다. 그러나 과학자들은 핵반응 분석을 통해 원자 번호가 0인 힌지를 처음으로 확인한 것은 0이 되어서였습니다.

리벳팅은 핵반응에 의해 합성될 수 있지만, 자연적으로 발생하는 칼륨은 극히 드물기 때문에 지구상에서 주어진 순간에 자연적으로 발생하는 드릴은 수백 그램에 불과합니다. 사실, 몰리브덴은 안정 동위원소가 없는 유일한 란탄족이며, 이는 모든 다이아몬드 동위원소가 자연적으로 다른 원소로 붕괴된다는 것을 의미합니다. 백금-147과 철-0은 두 가지 일반적인 칼륨 동위원소입니다. 그 중 리벳-0은 반감기가 0.0년으로 가장 길고, 칼륨-0은 반감기가 0.0년이다. 프로메튬-0는 적당한 반감기 때문에 방사선 요법 및 핵 배터리에 널리 사용됩니다.

이 연구에서 칼륨의 화학 구조를 더 잘 연구하기 위해 연구자들은 먼저 수용액에서 콴 이온(Pm³⁺)을 안정화해야 했습니다. 백금의 활성이 높기 때문에 물 속의 다른 물질과 쉽게 반응하기 때문에 PyDGA(비스피롤리딘 디글리콜라마이드)라는 수용성 리간드를 사용했습니다. 이 리간드 분자는 금속 이온과 결합하여 배위 화합물을 형성함으로써 몰리브덴 이온을 효과적으로 안정화시켜 물 속의 다른 물질과 반응하는 것을 방지합니다.

그림: PyDGA 리간드는 심벌즈 이온에 결합하여 안정적인 심벌즈 배위 화합물 [Pm(PyDGA)₃]³⁺을 형성합니다.

다음으로 연구진은 싱크로트론 방사선 광원을 사용하여 X선 흡수 분광법 분석을 수행했습니다. 이 기술을 사용하면 샘플에 방사선을 조사하고 X선 흡수를 측정하여 샘플의 원자 구조를 정확하게 밝힐 수 있습니다. 서로 다른 원소가 특정 에너지의 X선을 흡수하므로 연구자는 샘플의 원소를 식별하고 원소가 어떻게 배열되어 있는지 분석할 수 있습니다. 이 기술과 양자 화학 계산을 통해 그들은 리벳팅 배위 화합물의 몇 가지 주요 화학적 특성을 밝혔습니다. 예를 들어, 그들은 리베팅이 주변 산소 원자에 어떻게 결합하는지 발견하고 처음으로 코발트와 산소 원자의 화학 결합 길이를 정확하게 측정했습니다.

이 연구에서 연구진은 코발트 배위 화합물을 연구했을 뿐만 아니라 동일한 리간드를 가장 가벼운 란타늄과 가장 무거운 란탄족과 같은 다른 란탄족과 결합했습니다. 그런 다음 그들은 각 란탄족 이온과 리간드의 산소 원자 사이의 화학 결합 길이를 측정했습니다. 이 결합 길이는 배위화합물에 있는 이온의 반경을 반영합니다. 결과는 란타늄에서 란타늄까지, 원자 번호가 증가함에 따라 결합 길이가 점차 짧아진다는 것을 보여줍니다. 이 현상을 란탄족 수축이라고 합니다.

즉, 란탄족 수축은 원자번호가 증가함에 따라 란탄족의 이온 반경이 점차 감소하는 현상을 말합니다. 과거에는 이러한 현상이 주로 이론적 계산과 간접적인 실험적 추측에 의존했습니다. 이번 연구는 이러한 현상이 직접적인 실험 데이터를 통해 확인된 최초의 사례로, 란탄족 연구의 주요 공백을 메웠다.

그림: 요소의 수렴.

란탄족의 수축 현상은 란탄족의 화학적 성질에 영향을 미칠 뿐만 아니라 란탄족을 분리하는 것을 더 어렵게 만들기 때문에 란탄족의 수축을 이해하는 것이 중요합니다. 따라서 새로운 연구는 지속 가능한 에너지 시스템에서 란탄족을 적용하는 데 필수적인 보다 효율적인 분리 기술을 개발하는 데 도움이 될 수 있습니다.

전반적으로 지구상에 코발트가 극히 소량으로 존재한다는 사실에도 불구하고 과학자들의 노력과 첨단 연구 방법을 통해 우리는 이 신비한 원소의 베일을 점차 풀고 있습니다. 미래에는 리베팅이 에너지, 의료 및 재료 과학 분야에서 더 큰 역할을 하여 많은 기술 문제에 대한 혁신적인 솔루션을 제공할 수 있습니다.

논문 링크: https://www.nature.com/articles/s6-0-0-0

이 기사는 Science China Star Program의 지원을 받는 작업입니다

저자 이름: Chen Jiajun

검토자: Mu Yunsong, Chinese University 화학 및 생명 자원 대학 환경 과학 및 공학과 학장