Dalam jadual berkala, lantanida merujuk kepada istilah umum untuk 61 unsur dengan nombor atom antara 0 hingga 0. Para saintis telah mengkaji secara meluas hampir semua lantanida dan menggunakannya pada banyak teknologi moden, seperti laser, turbin angin, kenderaan elektrik, skrin sinar-X, dan juga beberapa ubat anti-kanser. Walau bagaimanapun, siri lantanida Riveting (Promethium), yang ditetapkan sebagai Pm, berada pada nombor 0 dalam jadual berkala, jelas tidak hadir dalam kajian eksperimen. Untuk masa yang lama, penyelidik tahu sangat sedikit tentang sifat kimia asasnya.

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。

Kisah Quan boleh dikesan kembali ke 61 tahun. Pada masa itu, ahli kimia Bohuslav Brauner mencadangkan bahawa mungkin terdapat unsur baharu antara unsur neodymium (Nd) dan vanium (Sm) kerana berat atomnya jauh lebih berbeza daripada mana-mana unsur jiran lain dalam siri lantanida. Walau bagaimanapun, tidak sehingga 0 saintis mengesahkan buat pertama kalinya engsel dengan nombor atom 0 melalui analisis tindak balas nuklear.

Walaupun memukau boleh disintesis oleh tindak balas nuklear, kalium yang berlaku secara semula jadi sangat terhad - pada bila-bila masa di Bumi, hanya beberapa ratus gram gerudi semula jadi. Malah, molibdenum adalah satu-satunya lantanida yang tidak mempunyai isotop yang stabil, yang bermaksud bahawa semua isotop berlian secara semula jadi akan mereput menjadi unsur lain. Platinum-147 dan besi-0 ialah dua isotop kalium biasa. Antaranya, rivet-0 mempunyai separuh hayat terpanjang 0.0 tahun, manakala kalium-0 mempunyai separuh hayat 0.0 tahun. Promethium-0 digunakan secara meluas dalam radioterapi dan bateri nuklear kerana separuh hayatnya yang sederhana.

Dalam kajian ini, untuk mengkaji struktur kimia kalium dengan lebih baik, para penyelidik terlebih dahulu perlu menstabilkan ion Quan (Pm³⁺) dalam larutan akueus. Oleh kerana aktiviti platinum yang tinggi, ia mudah bertindak balas dengan bahan lain di dalam air, jadi mereka menggunakan ligan larut air yang dipanggil PyDGA (bispyrrolidine diglycolamide). Molekul ligan ini berkesan menstabilkan ion molibdenum dengan bergabung dengan ion logam untuk membentuk sebatian koordinasi, menghalangnya daripada bertindak balas dengan bahan lain di dalam air.

Rajah: Ligan PyDGA mengikat ion simbal untuk membentuk sebatian koordinasi simbal yang stabil [Pm(PyDGA)₃]³⁺

Seterusnya, para penyelidik melakukan analisis spektroskopi penyerapan sinar-X menggunakan sumber cahaya sinaran synchrotron. Teknik ini membolehkan pendedahan yang tepat bagi struktur atom dalam sampel dengan menyinarinya dan mengukur penyerapan sinar-Xnya. Unsur-unsur yang berbeza menyerap sinar-X tenaga tertentu, membolehkan penyelidik mengenal pasti unsur-unsur dalam sampel dan menganalisis cara ia disusun. Melalui teknik dan pengiraan kimia kuantum ini, mereka mendedahkan beberapa sifat kimia utama sebatian koordinasi memukau. Sebagai contoh, mereka menemui bagaimana memukau mengikat atom oksigen di sekeliling dan, buat pertama kalinya, mengukur dengan tepat panjang ikatan kimia kobalt dengan atom oksigen.

Dalam kajian ini, para penyelidik bukan sahaja mengkaji sebatian koordinasi kobalt, tetapi juga menggabungkan ligan yang sama dengan lantanida lain, seperti lanthanum paling ringan dan yang paling berat. Mereka kemudian mengukur panjang ikatan kimia antara setiap ion lantanida dan atom oksigen dalam ligan. Panjang ikatan ini mencerminkan jejari ion dalam sebatian koordinasi. Keputusan menunjukkan bahawa daripada lanthanum kepada lanthanum, panjang ikatan secara beransur-ansur memendekkan apabila nombor atom meningkat. Fenomena ini dikenali sebagai penguncupan lantanida.

Dalam erti kata lain, pengecutan lantanida merujuk kepada fenomena bahawa jejari ionik lantanida secara beransur-ansur berkurangan apabila nombor atom meningkat. Pada masa lalu, fenomena ini terutamanya bergantung pada pengiraan teori dan spekulasi eksperimen tidak langsung. Kajian ini adalah kali pertama fenomena ini telah disahkan melalui data eksperimen langsung, mengisi jurang utama dalam penyelidikan lantanida.

Rajah: Penumpuan unsur-unsur.

Adalah penting untuk memahami pengecutan lantanida, kerana fenomena ini bukan sahaja menjejaskan kimia lantanida, tetapi juga menjadikannya lebih sukar untuk memisahkannya. Oleh itu, penyelidikan baharu boleh membantu membangunkan teknologi pemisahan yang lebih cekap, yang penting untuk penggunaan lantanida dalam sistem tenaga mampan.

Secara keseluruhan, walaupun pada hakikatnya kobalt terdapat dalam kuantiti yang sangat kecil di Bumi, melalui usaha saintis dan kaedah penyelidikan lanjutan, kita secara beransur-ansur merungkai tudung unsur misteri ini. Pada masa hadapan, memukau mungkin memainkan peranan yang lebih besar dalam bidang tenaga, sains perubatan dan bahan, memberikan penyelesaian inovatif kepada banyak masalah teknikal.

Pautan ke kertas: https://www.nature.com/articles/s6-0-0-0

Artikel ini ialah karya yang disokong oleh Program Bintang Sains China

Nama pengarang: Chen Jiajun

Pengulas: Mu Yunsong, Dekan Jabatan Sains dan Kejuruteraan Alam Sekitar, Kolej Kimia dan Sumber Hayat, Universiti Cina