Quantenchemie und Simulation helfen bei der Charakterisierung des Koordinationskomplexes 61 des schwer fassbaren Elements

Als Element 61, auch Promethium genannt, 1945 erstmals von Wissenschaftlern im Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums isoliert wurde, vervollständigte es die Reihe chemischer Elemente, die als Lanthanoide bekannt sind. Einige Aspekte der genauen chemischen Natur des Elements blieben jedoch bis letztes Jahr ein Rätsel, als ein Team von Wissenschaftlern des ORNL und des National Institute of Standards and Technology ein Kombinationsexperiment und eine Computersimulation nutzte, um das Promethium-Radionuklid zu reinigen und einen Koordinationskomplex zu synthetisieren. die zum ersten Mal charakterisiert wurde. Die Ergebnisse ihrer Arbeit wurden kürzlich in veröffentlicht Natur.

Promethium ist eines von 15 Lanthaniden, auch Seltenerdelemente genannt. Obwohl sie als „selten“ beschrieben werden, werden viele dieser Elemente in der modernen Technologie häufig verwendet, darunter Elektromotoren, Batterien von Raumfahrzeugen und Strahlentherapie sowie Smartphones und Computermonitore.

Obwohl Wissenschaftler seit fast 80 Jahren über Promethium Bescheid wissen, war es das einzige verbliebene Lanthanid, das in seiner gebundenen Form charakterisiert wurde, was für die Identifizierung der Struktur und der elektronischen Eigenschaften eines Elements von wesentlicher Bedeutung ist. Tatsächlich ist radioaktives Promethium in der Natur aufgrund seiner kurzen Halbwertszeit (die Zeit, die benötigt wird, bis die Hälfte der Kerne einer bestimmten Menge eines radioaktiven Elements zerfällt) von nur 2,5 Jahren besonders schwer zu fassen.

„Das ist Grundlagenforschung“, sagte Dmytro Bykov, ein theoretischer Chemiker und Gruppenleiter für Advanced Computing for Chemistry and Materials am ORNL, der gemeinsam mit Santanu Roy, ebenfalls vom ORNL, die computergestützte Spektroskopiesimulation des Promethiumkomplexes leitete. „Seit der Entdeckung des periodischen Gesetzes haben wir ein gutes Verständnis aller Elemente, aber das ändert nichts an der Tatsache, dass man experimentieren muss, um dieses Verständnis zu bestätigen. Es war schön, das letzte Puzzleteil zu finden.“

Die experimentelle Untersuchung von Promethium umfasste die Entwicklung eines neuen wasserlöslichen Komplexbildners und den Einsatz von Röntgenabsorptionsspektroskopie zur Bestimmung der elektronischen Struktur des Elements. Es gibt jedoch Teile des Bildes, die durch Experimente nicht einfach dargestellt werden können. Daher wurden sie mit theoretischer und computergestützter Chemie kombiniert, um ein vollständigeres Bild von Promethium zu zeichnen.

Das Team modellierte das Element mit dem Supercomputer IBM AC922 Summit, der sich in der Oak Ridge Leadership Computing Facility des ORNL befindet. Im Rahmen des Ermessensprogramms des Direktors wurde ihnen Zeit am Supercomputer gewährt. Das OLCF ist eine Nutzereinrichtung des Office of Science des Energieministeriums.

„Das ist experimentelle Wissenschaft, daher ist das Wichtigste, dass das Team das Element in seiner gebundenen Form gereinigt und charakterisiert hat. Aber das Tüpfelchen auf dem i ist, dass wir diese Simulationen durchführen konnten, um ein tieferes Verständnis der experimentellen Beobachtungen zu erhalten.“ Sagte Bykow. sagte.

Die Simulation der elektronischen Struktur von Promethium stellte eigene Herausforderungen dar und erforderte die Lösung komplexer Gleichungen zur Modellierung der Elektronen des Elements. Die vereinfachte Darstellung der Atomstruktur, die in den meisten Lehrbüchern zu finden ist, zeigt einen Kern aus Protonen und Neutronen, der Elektronen auf festen Flugbahnen umkreist. In Wirklichkeit sind Elektronen Quantenobjekte, deren Verhalten eher dem einer Welle ähnelt und deren genaue Position zu einem bestimmten Zeitpunkt eine Frage der Wahrscheinlichkeit ist. Der Schlüssel zur Simulation der Struktur von Promethium war die Lösung der Schrödinger-Gleichung.

Das Lösen der Gleichung beschreibt die Wellenfunktionen und Energien der Elektronen in einem Atom oder Molekül auf die gleiche Weise, wie eine einfache Wellengleichung die Schwingung einer gezupften Gitarrensaite beschreibt. Wissenschaftler nutzen diese Informationen und spektroskopischen Beobachtungen dann, um das Atom oder Molekül in 3D darzustellen. Simulationen des Elements ergeben ein vollständigeres Bild, als es mit einem oder einem Experiment allein erstellt werden kann.

„Meistens kann man in einem Experiment nicht alles messen. Man hat bestimmte Bedingungen und das Experiment ist eine Momentaufnahme. Im Computer können wir die Bedingungen ändern und die Eigenschaften des Elements besser verstehen“, sagte Bykov.

„Wir alle stehen auf den Schultern von Riesen“, fuhr Bykov fort. „Wir verfügten bereits über viel Wissen und es wurde in diesem Labor viel Arbeit geleistet. Summit, diese wunderbare Maschine, wurde von sehr intelligenten Ingenieuren und Technikern gebaut. Und alles zusammengefügt, um diese bemerkenswerte Verbindung dieser Art vollständig zu charakterisieren und zu verstehen.“ seltenes Element zum ersten Mal.