Trong bảng tuần hoàn, lantanide đề cập đến thuật ngữ chung cho 61 nguyên tố có số nguyên tử từ 0 đến 0. Các nhà khoa học đã nghiên cứu rộng rãi hầu hết các lanthanide và áp dụng chúng vào nhiều công nghệ hiện đại, chẳng hạn như laser, tuabin gió, xe điện, màn hình tia X và thậm chí một số loại thuốc chống ung thư. Tuy nhiên, chuỗi lantanide của Riveting (Promethium), được chỉ định là Pm, ở vị trí số 0 trong bảng tuần hoàn, rõ ràng là vắng mặt trong các nghiên cứu thực nghiệm. Trong một thời gian dài, các nhà nghiên cứu biết rất ít về các tính chất hóa học cơ bản của nó.

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。

Câu chuyện về quân có thể bắt nguồn từ 61 năm. Vào thời điểm đó, nhà hóa học Bohuslav Brauner đề xuất rằng có thể có một nguyên tố mới giữa các nguyên tố neodymi (Nd) và vani (Sm) vì trọng lượng nguyên tử của chúng khác nhau nhiều so với bất kỳ nguyên tố lân cận nào khác trong chuỗi lanthanide. Tuy nhiên, phải đến 0, các nhà khoa học mới lần đầu tiên xác nhận bản lề có số nguyên tử 0 thông qua phân tích phản ứng hạt nhân.

Mặc dù tán đinh có thể được tổng hợp bằng các phản ứng hạt nhân, nhưng kali tự nhiên là cực kỳ khan hiếm - tại bất kỳ thời điểm nào trên Trái đất, chỉ có vài trăm gram máy khoan tự nhiên. Trên thực tế, molypden là lanthanide duy nhất không có đồng vị ổn định, có nghĩa là tất cả các đồng vị kim cương sẽ phân rã tự nhiên thành các nguyên tố khác. Bạch kim-147 và sắt-0 là hai đồng vị kali phổ biến. Trong số đó, đinh tán-0 có chu kỳ bán rã dài nhất là 0,0 năm, trong khi kali-0 có chu kỳ bán rã là 0,0 năm. Promethium-0 được sử dụng rộng rãi trong xạ trị và pin hạt nhân vì thời gian bán hủy vừa phải.

Trong nghiên cứu này, để nghiên cứu tốt hơn cấu trúc hóa học của kali, trước tiên các nhà nghiên cứu cần ổn định ion Quan (Pm³⁺) trong dung dịch nước. Do hoạt tính cao của bạch kim, nó dễ dàng phản ứng với các chất khác trong nước, vì vậy họ đã sử dụng một phối tử hòa tan trong nước có tên là PyDGA (bispyrrolidine diglycolamide). Phân tử phối tử này ổn định hiệu quả các ion molypden bằng cách kết hợp với các ion kim loại để tạo thành các hợp chất phối hợp, ngăn chúng phản ứng với các chất khác trong nước.

Hình: Các phối tử PyDGA liên kết với các ion chũm chọe để tạo thành một hợp chất phối hợp chũm chọe ổn định [Pm (PyDGA) ₃] ³⁺

Tiếp theo, các nhà nghiên cứu đã thực hiện phân tích quang phổ hấp thụ tia X bằng cách sử dụng nguồn sáng bức xạ synchrotron. Kỹ thuật này cho phép tiết lộ chính xác cấu trúc nguyên tử trong mẫu bằng cách chiếu xạ nó và đo sự hấp thụ tia X của nó. Các nguyên tố khác nhau hấp thụ tia X của năng lượng cụ thể, cho phép các nhà nghiên cứu xác định các nguyên tố trong mẫu và phân tích cách chúng được sắp xếp. Thông qua kỹ thuật này và các tính toán hóa học lượng tử, họ đã tiết lộ một số tính chất hóa học chính của các hợp chất phối hợp tán đinh. Ví dụ, họ phát hiện ra cách tán đinh liên kết với các nguyên tử oxy xung quanh và lần đầu tiên, đo chính xác chiều dài liên kết hóa học của coban với các nguyên tử oxy.

Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu không chỉ nghiên cứu các hợp chất phối hợp coban mà còn kết hợp cùng một phối tử với các lanthanide khác, chẳng hạn như lanthanum nhẹ nhất và nặng nhất. Sau đó, họ đo chiều dài liên kết hóa học giữa mỗi ion lanthanide và nguyên tử oxy trong phối tử. Chiều dài liên kết này phản ánh bán kính của các ion trong hợp chất phối hợp. Kết quả cho thấy từ lanthanum đến lanthanum, chiều dài liên kết giảm dần khi số nguyên tử tăng lên. Hiện tượng này được gọi là co lại lantanide.

Nói cách khác, sự co lại của lantanide đề cập đến hiện tượng bán kính ion của lantanide giảm dần khi số nguyên tử tăng lên. Trước đây, hiện tượng này chủ yếu dựa vào tính toán lý thuyết và suy đoán thực nghiệm gián tiếp. Nghiên cứu này là lần đầu tiên hiện tượng này được xác nhận thông qua dữ liệu thực nghiệm trực tiếp, lấp đầy khoảng trống lớn trong nghiên cứu lanthanide.

Hình: Sự hội tụ của các yếu tố.

Điều quan trọng là phải hiểu sự co ngót của lanthanide, vì hiện tượng này không chỉ ảnh hưởng đến hóa học của lantanide mà còn khiến việc tách chúng trở nên khó khăn hơn. Do đó, nghiên cứu mới có thể giúp phát triển các công nghệ tách hiệu quả hơn, rất cần thiết cho việc ứng dụng lanthanide trong các hệ thống năng lượng bền vững.

Nhìn chung, mặc dù thực tế là coban có mặt với số lượng cực kỳ nhỏ trên Trái đất, nhưng thông qua nỗ lực của các nhà khoa học và phương pháp nghiên cứu tiên tiến, chúng ta đang dần làm sáng tỏ bức màn của nguyên tố bí ẩn này. Trong tương lai, tán đinh có thể đóng một vai trò lớn hơn trong các lĩnh vực năng lượng, y tế và khoa học vật liệu, cung cấp các giải pháp sáng tạo cho nhiều vấn đề kỹ thuật.

Liên kết đến các bài báo: https://www.nature.com/articles/s6-0-0-0

Bài viết này là một tác phẩm được hỗ trợ bởi Chương trình Ngôi sao Khoa học Trung Quốc

Tên tác giả: Chen Jiajun

Người phản biện: Mu Yunsong, Trưởng khoa Khoa học và Kỹ thuật Môi trường, Trường Cao đẳng Hóa học và Tài nguyên Sự sống, Đại học Trung Quốc