Les secrets du prométhium enfin découverts après 80 ans de recherche

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Art conceptuel montrant le prométhium. Crédits : Jacquelyn DeMink, art ; Thomas Dyke, photographie ; ORNL, Département américain de l'énergie

Pour la première fois, des scientifiques ont réussi à révéler les propriétés essentielles d’une substance radioactive mystérieuse appelée prométhium, près de huit décennies après sa découverte. Cet élément des terres rares, découvert en 1945, fait partie d’un groupe d’éléments particulièrement importants dans les technologies modernes.

Qu’est-ce que le prométhium ?

Le prométhium est l’un des quinze éléments lanthanides situés au bas du tableau périodique. Les lanthanides, aussi connus sous le nom de terres rares, possèdent des propriétés uniques comme un fort magnétisme et des caractéristiques optiques particulières.

Les terres rares sont utilisées dans de nombreux domaines technologiques à cause de leurs propriétés exceptionnelles. Elles jouent un rôle crucial dans le fonctionnement des lasers, des écrans de smartphones, ou encore des aimants très puissants présents dans les éoliennes et les véhicules électriques. Notez toutefois que malgré leur nom, certaines d’entre elles ne sont pas si rares. En revanche, leur extraction et leur séparation sont souvent complexes et coûteuses.

Une étude révolutionnaire

Étudier le prométhium a longtemps posé problème, principalement en raison de sa nature radioactive. En effet, contrairement à d’autres éléments, le prométhium ne possède pas d’isotope stable, ce qui signifie qu’il se désintègre en d’autres éléments avec le temps. Cela complique l’obtention d’échantillons appropriés pour l’étude. Cet élément rare est pour le coup généralement produit par un processus de fission dans les réacteurs nucléaires.

Le Laboratoire national d’Oak Ridge (ORNL), aux États-Unis, est le seul producteur américain de prométhium-147, un isotope ayant une demi-vie de 2,6 ans. En utilisant une méthode développée récemment, les chercheurs de l’établissement ont réussi à séparer cet isotope des déchets des réacteurs nucléaires pour obtenir l’échantillon le plus pur possible.

Les scientifiques ont ensuite combiné l’échantillon de prométhium avec une molécule appelée ligand, conçue pour piéger les atomes métalliques et former ainsi un complexe stable dans l’eau. Cette molécule de coordination, connue sous le nom de PyDGA, a permis de créer neuf liaisons entre le prométhium et l’oxygène, offrant aux scientifiques une occasion unique d’analyser les propriétés de liaison de cet élément.

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Membres de l’équipe du centre de développement du génie radiochimique. Crédits : Carlos Jones/ORNL, Département américain de l’énergie de l’ORNL

Spectroscopie d’absorption des rayons X

Pour analyser les propriétés du prométhium, les chercheurs ont utilisé une technique très avancée et spécialisée appelée spectroscopie d’absorption des rayons X basée sur le synchrotron. Cette méthode utilise des photons à haute énergie qui sont des particules de lumière générées par un accélérateur de particules, une machine complexe qui accélère les particules à des vitesses extrêmement élevées.

Plus précisément, la spectroscopie d’absorption des rayons X fonctionne en mesurant la manière dont les photons sont absorbés par les atomes dans l’échantillon. Lorsque les photons frappent les atomes de prométhium, ils excitent les électrons de ces atomes, les faisant passer à des niveaux d’énergie plus élevés. En analysant le schéma d’absorption des rayons X, les scientifiques peuvent alors déterminer la position précise des atomes dans l’échantillon et mesurer la longueur des liaisons entre les atomes de prométhium et les autres atomes, comme l’oxygène, dans le complexe formé.

Autrement dit, cette méthode permet de distinguer les liaisons spécifiques du prométhium, même en présence d’autres éléments qui pourraient contaminer l’échantillon. Dans ce cas, le samarium, l’élément adjacent au prométhium dans le tableau périodique, pouvait potentiellement interférer. Cependant, grâce à la haute précision de la spectroscopie d’absorption des rayons X, les scientifiques ont pu exclure toute contamination par le samarium, assurant ainsi que les données collectées proviennent exclusivement du prométhium.

Des découvertes et leurs implications

Les données obtenues grâce à ces analyses ont permis aux scientifiques de comparer les propriétés du prométhium avec celles des autres éléments de la série des lanthanides. En comprenant comment le prométhium se lie avec d’autres atomes, notamment l’oxygène, les chercheurs peuvent en effet voir comment il se compare aux autres lanthanides en termes de longueur de liaison, de force de liaison et de comportement chimique.

Cette comparaison est cruciale, car les terres rares partagent souvent des propriétés similaires, mais de subtiles différences peuvent influencer leur utilisation dans diverses applications technologiques. Par exemple, des différences dans la manière dont les éléments se lient peuvent affecter leurs propriétés magnétiques, optiques ou leur capacité à catalyser des réactions chimiques. En complétant le tableau des propriétés chimiques des lanthanides, les scientifiques peuvent ainsi mieux comprendre les tendances périodiques et les variations parmi ces éléments.

Comprendre ces propriétés de liaison et de coordination aidera à développer de nouvelles méthodes pour séparer ces éléments précieux de manière plus efficace. La séparation des terres rares, souvent trouvées ensemble dans les minerais, est en effet souvent coûteuse et complexe. Les informations obtenues grâce à cette étude pourraient ainsi conduire à des technologies de séparation plus efficaces qui réduiront les coûts et amélioreront l’efficacité de leur extraction.

Les découvertes réalisées dans cette étude ne se limitent pas à la séparation des terres rares. Elles pourraient également ouvrir la voie à de nouvelles applications pour le prométhium et d’autres lanthanides. Par exemple, une meilleure compréhension de la chimie du prométhium pourrait permettre son utilisation dans de nouvelles technologies ou améliorer ses applications existantes dans les batteries atomiques et les diagnostics médicaux.

En outre, ces avancées pourraient susciter un intérêt accru pour l’étude du prométhium et des éléments similaires, incitant davantage de chercheurs à explorer ces domaines. Cela pourrait mener à des découvertes encore plus significatives qui enrichiront notre compréhension de la chimie des terres rares et de leurs applications potentielles.