פרומתיום (Promethium) התגלה בשנת 1945 במעבדות קלינטון, כיום המעבדה הלאומית באוק רידג' של משרד האנרגיה האמריקני, שם הוא ממשיך להיות מיוצר בכמויות זעירות. הוא נמנה על משפחת היסודות הנדירים וקיבל את שמו כהומאז' לפרומתאוס, בן לקבוצת הטיטנים שעל פי המיתולוגיה היוונית הביא את האש לבני האדם.
יחד עם זאת, חלק מתכונותיו טרם התגלו, למרות השימוש בו במחקרים רפואיים ובסוללות גרעיניות ארוכות טווח, מה שמקנה לו חשיבות רבה. "כל הרעיון היה לחקור את היסוד הנדיר הזה כדי להשיג ידע חדש", אומר ד"ר אלכס איבנוב מהמעבדה הלאומית באוק רידג', שהיה ממובילי המחקר. "ברגע שהבנו שהוא התגלה במעבדה שבה אנו עובדים, הרגשנו כי חלה עלינו החובה לערוך את המחקר הזה כדי לשמור על המורשת".
2 צפייה בגלריה
אמנות קונספטואלית בה מופיע היסוד הנדיר פרומתיום בבקבוקון, מוקף בליגנד אורגני. מדעני המעבדה הלאומית באוק רידג' גילו תכונות נסתרות של יסוד זה, ופתחו בכך נתיב למחקר של יסודות אחרים מסדרת הלנתנידים
(צילום: Jacqueline DeMink, Thomas Dyke, ORNL, U.S. Dept. of Energy)
צוות המחקר, הכין קומפלקס (תמציד) כימי של פרומתיום, שאפשר לראשונה את אפיונו בתמיסה. בכך, חשפו החוקרים את סודותיו של היסוד הכימי הנדיר הזה מסדרת הלנתנידים (15 מתכות מעבר, עם מספרים אטומיים של 57–71), שמספרו האטומי הוא 61.
המחקר פורץ הדרך הזה, שפורסם בכתב העת Nature, מהווה התקדמות משמעותית בחקר היסודות הנדירים ועשוי לשכתב את ספרי הלימוד בכימיה. "מכיוון שאין לו איזוטופים יציבים, פרומתיום היה הלנתניד האחרון שהתגלה והיה הקשה והמורכב ביותר למחקר", אומר ד"ר איליה פופובס מהמעבדה הלאומית באוק רידג', שהיה בין מובילי המחקר.
שאר הלנתנידים הם מתכות בעלות תכונות שימושיות שהופכות אותן לחיוניות בטכנולוגיות מודרניות רבות, החל מלייזרים, דרך מגנטים קבועים בטורבינות רוח ובכלי רכב חשמליים, ועד מסכי רנטגן ואף תרופות לטיפול במחלת הסרטן. "יש אלפי פרסומים על הכימיה של הלנתנידים ללא פרומתיום, מה שהיווה פער מסוים", אומרת ד"ר סנטה יאנסון-פופובה מהמעבדה הלאומית באוק רידג', שהייתה בין מובילי המחקר. "כעת, הצלחנו להתחיל ולמלא את הפער, תוך אבחון של כמה מתכונותיו".
מחברי המחקר יצרו כלציה - תהליך שבו נקשר פרומתיום רדיואקטיבי עם מולקולות אורגניות מיוחדות, הנקראות ליגנדי דיגליקולמיד. לאחר מכן, באמצעות ספקטרוסקופיה של קרני רנטגן, הם קבעו את תכונות הקומפלקס, כולל אורך הקשר הכימי של פרומתיום עם אטומים שכנים - חתיכה שחסרה זה מכבר בטבלה המחזורית של היסודות.
פרומתיום נחשב כה נדיר, עד כדי כך שרק חצי קילוגרם ממנו קיים באופן טבעי בקרום כדור הארץ בכל זמן נתון. בניגוד ליסודות נדירים אחרים, קיימת זמינות זעירה של פרומתיום סינטטי מכיוון שאין לו איזוטופים יציבים. לצורך מחקר זה, צוות המחקר ייצר את האיזוטופ פרומתיום-147, עם זמן מחצית חיים של 2.62 שנים, בכמויות מספיקות ובטוהר גבוה מספיק כדי לחקור את התכונות הכימיות שלו.
ככל שהמספרים האטומיים של הלנתנידים גדלים, כך פוחת הרדיוס של היונים שלהם. תופעה זו מכונה "התכווצות הלנתנידים", כשלמעשה מחקר זה מהווה את הפעם הראשונה שבו היא הושגה לכל סדרת הלנתנידים, כולל פרומתיום. "מנקודת מבט מדעית, ההתכווצות של הקשר הכימי הזה מואצת לאורך הסדרה האטומית הזו, אבל אחרי פרומתיום, היא מאטה במידה ניכרת. זוהי נקודת ציון חשובה בהבנת תכונות הקשר הכימי של יסודות אלה והשינויים המבניים שלהם לאורך הטבלה המחזורית", הסביר ד"ר איבנוב.
לכן, באמצעות מחקר זה וממצאיו נפתח נתיב חדש לחקר יסודות בעלי חשיבות בטכנולוגיה המודרנית, החל מאבחון וטיפול בסרטן, דרך טכנולוגיות אנרגיה מתחדשת וסוללות גרעיניות ארוכות טווח, ועד חקר החלל. ההישג יקל, בין היתר, על העבודה הקשה של הפרדת מרכיבים יקרי הערך מסדרת הלנתנידים,
"אי אפשר לנצל את כל הלנתנידים הללו כתערובת בטכנולוגיות מתקדמות מודרניות, כי קודם כל צריך להפריד אותם. על כן, המחקר שלנו (באמצעות הכיווץ) הפך חשוב מאוד ומאפשר לנו לבצע את ההפרדה, אם כי מדובר במשימה די קשה", מסבירה ד"ר יאנסון-פופובה. "ההישג מכין את הבמה לעידן חדש של מחקר. כל מה שיהווה פלא מודרני של טכנולוגיה יכלול, בצורה זו או אחרת, את היסודות הנדירים הללו. כעת גילינו את החולייה החסרה", מוסיף ד"ר פופובס.
