Μοριακά «κλουβιά» βοήθησαν τους χημικούς να αφαιρέσουν ένα ηλεκτρόνιο από το τέρβιο, καθιστώντας μια ασυνήθιστη μορφή του ευκολότερη στη μελέτη, με προοπτικές χρήσης στην κβαντική υπολογιστική και σε προηγμένους αισθητήρες.
Οι σπάνιες γαίες
Τα μέταλλα σπάνιων γαιών είναι απαραίτητα για τις σύγχρονες τεχνολογίες, από τα έξυπνα κινητά τηλέφωνα (smartphones) και τους μαγνήτες υψηλής απόδοσης έως τις προηγμένες ιατρικές συσκευές. Ωστόσο, ο διαχωρισμός αυτών των πολύτιμων στοιχείων παραμένει μια σημαντική πρόκληση, καθώς πολλά από αυτά παρουσιάζουν εξαιρετικά παρόμοιες χημικές ιδιότητες. Το τέρβιο είναι ιδιαίτερα δύσκολο στη διαχείριση, καθώς έχει ισχυρή τάση να διατηρεί μια σταθερή ηλεκτρονιακή κατάσταση που αντιστέκεται σε κάθε αλλαγή.
Τώρα, ερευνητές με επικεφαλής επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο της Αϊόβα βρήκαν έναν τρόπο να ξεπεράσουν αυτό το εμπόδιο, εγκλωβίζοντας το τέρβιο μέσα σε ειδικά σχεδιασμένα μοριακά «κλουβιά» και σταθεροποιώντας μια ασυνήθιστη μορφή του μετάλλου υπό συνήθεις περιβαλλοντικές συνθήκες. Αυτή η σημαντική εξέλιξη θα μπορούσε να ανοίξει νέες προοπτικές για τον διαχωρισμό των σπάνιων γαιών, καθώς και για τεχνολογίες που κυμαίνονται από την κβαντική υπολογιστική έως τους προηγμένους αισθητήρες.
Το τέρβιο αντιστέκεται στην αποβολή ηλεκτρονίου
Το τέρβιο προτιμά συνήθως την κατάσταση οξείδωσης +3, όπως συμβαίνει και με τις άλλες λανθανίδες. Οι καταστάσεις οξείδωσης υποδηλώνουν πόσα ηλεκτρόνια έχει χάσει ή κερδίσει τυπικά ένα άτομο· η μετάβαση του τερβίου από την κατάσταση +3 στην κατάσταση +4 απαιτεί την αφαίρεση ενός ηλεκτρονίου. Η κατάσταση +3 είναι η πιο σταθερή για το τέρβιο και έχει μελετηθεί εκτενώς, ενώ η συμπεριφορά του σε άλλες καταστάσεις παραμένει πολύ λιγότερο διερευνημένη.
«Μπορείς να το αναγκάσεις να αποβάλει ή να δεχτεί ένα ηλεκτρόνιο», εξηγεί ο Korey Carter, επίκουρος καθηγητής στο Τμήμα Χημείας του Πανεπιστημίου της Αϊόβα, «αλλά, από ενεργειακή άποψη, αυτό είναι γενικά δυσμενές».
Απομόνωση του τερβίου χωρίς την ανάγκη εργαστηρίου απαλλαγμένου από αέρα
Ο Carter ηγήθηκε της μελέτης μαζί με τον Pere Miro, αναπληρωτή καθηγητή στο ίδιο τμήμα. Η ομάδα τους δημιούργησε ένα μοριακό σύμπλοκο από βολφράμιο και οξυγόνο —γνωστό ως πολυοξομεταλλικό— και πρόσθεσε συνδετικά μόρια, τα λεγόμενα «υποκαταστάτες» (ligands). Οι δομές αυτές, που μοιάζουν με κλουβιά, συγκράτησαν το τέρβιο στη θέση του, επιτρέποντας στους ερευνητές να τροποποιήσουν τη χημική του κατάσταση.
Με ένα άτομο τερβίου «εγκλωβισμένο» μέσα σε αυτά τα κλουβιά, οι χημικοί πρόσθεσαν υπερθειικό κάλιο, έναν χημικό οξειδωτικό παράγοντα. Η αντίδραση αυτή αφαίρεσε ένα ηλεκτρόνιο από το τέρβιο, αλλάζοντας το φορτίο του και μεταφέροντάς το στην κατάσταση οξείδωσης +4. Η ερευνητική ομάδα απομόνωσε αυτή την ασυνήθιστη μορφή και την περιέγραψε με λεπτομέρεια. Τέρβιο σε ένα «κλουβί» από βολφράμιο και οξυγόνο
Χημικοί, υπό την καθοδήγηση ερευνητών από το Πανεπιστήμιο της Αϊόβα, απομόνωσαν το μέταλλο σπανίων γαιών τέρβιο υπό κανονικές περιβαλλοντικές συνθήκες – μια εξέλιξη που θα μπορούσε να οδηγήσει σε ευρύτερη αξιοποίησή του. Η απεικόνιση δείχνει πώς η ερευνητική ομάδα δημιούργησε μια μοριακή δομή που μοιάζει με «κλουβί», αποτελούμενη κυρίως από άτομα βολφραμίου (γκρι) και οξυγόνου (κόκκινο), τα οποία εγκλώβισαν το τέρβιο (καφέ). Με αυτόν τον τρόπο, δημιουργήθηκαν οι κατάλληλες συνθήκες ώστε το άτομο του τερβίου να αλλάξει την κατάσταση οξείδωσής του και να καταστεί δυνατός ο διαχωρισμός του. Πηγή: Εργαστήριο Korey Carter, Πανεπιστήμιο της Αϊόβα.
«Μία από τις προκλήσεις που παρουσιάζουν οι λανθανίδες είναι ότι «προτιμούν» να παραμένουν στην ίδια κατάσταση οξείδωσης. Είναι δύσκολο να αλλάξει κανείς αυτή την κατάσταση –και, κατά συνέπεια, να διαχωρίσει τα στοιχεία μεταξύ τους– χωρίς να διεξάγει τη διαδικασία σε ένα αυστηρά ελεγχόμενο περιβάλλον, όπως ένα εργαστήριο», εξηγεί ο Carter, ένας εκ των αντίστοιχων συγγραφέων της μελέτης. «Εμείς, ωστόσο, αναπτύξαμε μια μέθοδο για την απομόνωση (ή τον διαχωρισμό) του τερβίου, αλλάζοντας την κατάσταση οξείδωσής του σε ένα περιβάλλον που δεν απαιτεί ειδικούς εργαστηριακούς ελέγχους».
Σύμφωνα με τον Carter, προηγούμενοι ερευνητές είχαν καταφέρει να παράγουν τέρβιο στην κατάσταση οξείδωσης +4, αλλά μόνο σε αυστηρά ελεγχόμενα περιβάλλοντα, απαλλαγμένα από ατμοσφαιρικό αέρα. Η ομάδα από την Αϊόβα εργάστηκε υπό συνθήκες περιβάλλοντος, χωρίς ειδικές ρυθμίσεις για τη θερμοκρασία, την υγρασία ή την πίεση.
«Αν στήνατε ένα χημικό πείραμα στο σπίτι σας, η διαδικασία θα ήταν ανάλογη με αυτό που κάναμε εμείς στο εργαστήριο», αναφέρει χαρακτηριστικά.
Από τις οθόνες προβολής στους κβαντικούς αισθητήρες
Το αργυρόγκρι αυτό μέταλλο εξορύσσεται κυρίως στην Κίνα, αν και εντοπίζεται επίσης στις Ηνωμένες Πολιτείες και σε ορισμένες άλλες χώρες. Αποτελεί ήδη τη βάση για ένα ευρύ φάσμα τεχνολογιών. Το τέρβιο παίζει καθοριστικό ρόλο στα πράσινα φωσφορίζοντα υλικά που παράγουν φως στις τηλεοράσεις, τους λαμπτήρες φθορισμού και τις οθόνες LED, ενώ είναι σημαντικό και για τις διατάξεις στερεάς κατάστασης καθώς και για τις κυψέλες καυσίμου. Επιπλέον, έχει συμβάλει στην ενίσχυση της ασφάλειας κατά τις ιατρικές ακτινογραφίες, επιτρέποντας την επίτευξη της ίδιας ποιότητας εικόνας με πολύ μικρότερους χρόνους έκθεσης.
Η νέα μέθοδος αποτελεί μια απόδειξη της αρχής λειτουργίας (proof of concept) για έναν δυνητικά ευκολότερο και λιγότερο δαπανηρό διαχωρισμό του τερβίου, προσφέροντας ενδεχομένως πολύτιμα στοιχεία και για τον διαχωρισμό άλλων λανθανιδών. Καθιστώντας αυτές τις λιγότερο γνωστές χημικές καταστάσεις πιο προσβάσιμες, οι ερευνητές θα μπορούν να μελετήσουν ευκολότερα ιδιότητες που σχετίζονται με τις κβαντικές τεχνολογίες – Οι πιθανές εφαρμογές περιλαμβάνουν την πληροφορική και τους προηγμένους αισθητήρες για την πλοήγηση, την ιατρική απεικόνιση και άλλους τομείς.
Η ερευνητική ομάδα του Carter επιδιώκει τώρα να εφαρμόσει όσα έμαθε από το τέρβιο στους ακτινίδες, μια ομάδα στοιχείων με υψηλή ραδιενέργεια. Στοιχεία αυτής της ομάδας χρησιμοποιούνται σε θεραπείες κατά του καρκίνου, για την τροφοδοσία βηματοδοτών που εμφυτεύονται στο σώμα, καθώς και σε ανιχνευτές καπνού.
«Τα ευρήματά μας αναδεικνύουν τη δυνατότητα διεξαγωγής πρωτοποριακής έρευνας στο Πανεπιστήμιο της Αϊόβα (University of Iowa) και παρέχουν μια βάση για την επέκταση της χημείας αυτής στη σειρά των ακτινιδών, στα εργαστήρια Ραδιοχημείας του Πανεπιστημίου», αναφέρει ο Carter.
www.worldenergynews.gr
