這個以愛因斯坦命名的元素，發現100年後終於開始露出真面目｜Nature

美國伯克利實驗室的科學家們對這種高放射性元素進行實驗，揭示出鎄元素意料之外的性質。

來源 美國能源部/勞倫斯伯克利國家實驗室

翻譯 謝一璇

審校 戚譯引

1952 年，美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室（以下簡稱伯克利實驗室）首次從一顆氫彈的碎片中發現了第 99 號元素——鎄（Einsteinium）。在那之後，很少有科學家對它進行實驗。這是因為鎄元素非常難獲得，並且有極高的放射性。近日，伯克利實驗室的一個化學家團隊克服了這些阻礙，首次報告了對鎄元素特徵的研究，推開了更好地了解其餘錒系超鈾元素的大門。

這項研究發表在《自然》（Nature）雜誌，題為「鎄化合物的結構和光譜特性」（Structural and Spectroscopic Characterization of an Einsteinium Complex）。伯克利實驗室的 Rebecca Abergel 和洛斯阿拉莫斯國家實驗室的 Stosh Kozimor 為論文共同主要作者（lead author），參與者包括來自這兩所實驗室的科學家，以及來自加州大學伯克利分校和喬治敦大學的研究人員，其中幾位是研究生和博士後。他們使用不到 250 納克的鎄元素，首次測得了鎄的化學鍵鍵距，這是元素與其他原子和分子相互作用的基本屬性。

「我們對鎄知之甚少，」Abergel 說。他領導著伯克利實驗室的重元素化學研究組，同時也是加州大學伯克利分校核工程系的助理教授，「我們能夠用如此少量的材料進行無機化學研究，是一個了不起的成就。這項研究意義重大，因為我們對鎄元素的化學行為了解得越多，就越可能將其應用到新材料或新技術的開發中。這不僅限於對鎄元素的研究，對於其他錒系元素也一樣。我們還可以在元素周期表中建立趨勢。」

轉瞬即逝且難以獲得

Abergel 和她的團隊使用伯克利實驗室的分子鑄造（Molecular Foundry）設備和 SLAC 國家加速器實驗室的斯坦福同步輻射光源（SSR），進行發光光譜和 X 射線吸收光譜實驗。這兩種設備都屬於美國能源部辦公室科研用途設備，在幾十年前首次發現鎄元素時是不存在的。

在研究的開始，獲得可以使用的樣品就幾乎花費了一半的努力。「整篇論文就是一連串不走運事件總和。」Abergel 吐槽道。

研究中用到的材料來自橡樹嶺國家實驗室的高通量同位素反應堆（High Flux Isotope Reactor），這是世界上僅有的能夠製造鎄的幾個反應堆之一，製造過程需要用中子轟擊鋦靶以觸髮長鏈核反應。研究團隊遇到的第一個問題是，提取純凈的鎄非常困難，製造出的樣品中混合了大量的鐦。

因此，他們不得不改變使用 X 射線晶體學的研究思路——這種方法一度被認為是獲得高放射性分子結構信息的黃金準則，但要求使用純金屬樣品。研究團隊設計了另一種製作樣品和利用元素的方法。洛斯阿拉莫斯的研究人員對此提供了關鍵性的幫助，他們設計了一種獨特的樣品支架，以克服由於鎄的固有特性帶來的挑戰。

第二個挑戰是元素的放射性衰變。伯克利實驗室的研究團隊使用鎄-254 進行實驗，這是鎄元素較穩定的同位素之一，有 276 天的半衰期（半數的實驗材料衰變的時間）。儘管在新冠大流行之前，該團隊已經完成了大部分實驗，但是疫情發生後，計劃中的後續實驗由於封城而不得不中斷。當他們去年夏天可以回到實驗室時，大部分的樣品已經衰變了。

測量鍵距，探索更多可能

儘管如此，研究人員還是設法測出了鎄的鍵距，並發現了鎄的一些特殊物理化學行為。這些發現超出了原有的對錒系元素（元素周期表最下面一行元素）的預期。

「確定鍵距聽起來沒什麼新意，但是這是理解金屬元素如何與其他分子結合的首要參數。它能幫助我們了解這種元素會與其他原子和分子發生怎樣的化學反應。」Abergel 說。

一旦科學家知道了包含鎄元素的分子中的原子排布方式，他們就可以嘗試尋找有趣的化學物質，並進一步加深對元素周期趨勢的理解。「通過獲得這些數據，我們對整個錒系的行為有了更進一步的認識。在錒系中，存在對核能生產和放射性藥物非常有幫助的元素或同位素。」她說。

值得期待的是，這項研究還帶來了探索元素周期表邊緣之外的物質、發現新元素的可能。「我們確實開始對元素周期表末端有了更多的了解，接下來，你可以設想以鎄為靶來發現一個新的元素，」Abergel 說，「類似於過去十年中最新發現的元素，比如第 117 號元素 Tennessine（Ts），就是使用錇作為靶發現的。如果能夠提純足夠量的鎄來製成靶，你就能夠開始尋找新的元素，理論上可以進一步接近『穩定島』。」據核物理學家的預測，「穩定島」中的同位素可能有長達數分鐘甚至一天的半衰期，而不是超重元素常見的幾微秒甚至更短的半衰期。

論文信息

【標題】Structural and spectroscopic characterization of an einsteinium complex

【作者】Korey P. Carter, Katherine M. Shield, Kurt F. Smith, Zachary R. Jones, Jennifer N. Wacker, Leticia Arnedo-Sanchez, Tracy M. Mattox, Liane M. Moreau, Karah E. Knope, Stosh A. Kozimor, Corwin H. Booth Rebecca J. Abergel

【期刊】Nature

【時間】03 February 2021

【DOI】10.1038/s41586-020-03179-3

【鏈接】https://www.nature.com/articles/s41586-020-03179-3

【摘要】The transplutonium elements (atomic numbers 95–103) are a group of metals that lie at the edge of the periodic table. As a result, the patterns and trends used to predict and control the physics and chemistry for transition metals, main-group elements and lanthanides are less applicable to transplutonium elements. Furthermore, understanding the properties of these heavy elements has been restricted by their scarcity and radioactivity. This is especially true for einsteinium (Es), the heaviest element on the periodic table that can currently be generated in quantities sufficient to enable classical macroscale studies1. Here we characterize a coordination complex of einsteinium, using less than 200 nanograms of 254Es (with half-life of 275.7(5) days), with an organic hydroxypyridinone-based chelating ligand. X-ray absorption spectroscopic and structural studies are used to determine the energy of the L3-edge and a bond distance of einsteinium. Photophysical measurements show antenna sensitization of EsIII luminescence; they also reveal a hypsochromic shift on metal complexation, which had not previously been observed in lower-atomic-number actinide elements. These findings are indicative of an intermediate spin–orbit coupling scheme in which j–j coupling (whereby single-electron orbital angular momentum and spin are first coupled to form a total angular momentum, j) prevails over Russell–Saunders coupling. Together with previous actinide complexation studies2, our results highlight the need to continue studying the unusual behaviour of the actinide elements, especially those that are scarce and short-lived.

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