Молекулярные клетки помогли химикам удалить один электрон из тербия, благодаря чему эту необычную форму стало проще изучать для возможного применения в квантовых вычислениях и современных датчиках.

Редкоземельные металлы необходимы для современных технологий — от смартфонов и высокопроизводительных магнитов до передовых медицинских устройств. Однако выделение этих ценных элементов остается серьезной проблемой, поскольку многие из них обладают удивительно схожими химическими свойствами. Тербием особенно сложно манипулировать, поскольку он стремится к стабильному электронному состоянию, которое сопротивляется изменениям.

Теперь исследователи под руководством Университета Айовы нашли способ преодолеть этот барьер, заключив тербий в специально разработанные молекулярные клетки и стабилизировав необычную форму металла в обычных условиях окружающей среды. Это открытие может открыть новые возможности для разделения редкоземельных элементов и применения технологий в самых разных областях — от квантовых вычислений до современных датчиков.

Тербий сопротивляется потере электрона

Тербий, как и другие лантаноиды, обычно имеет степень окисления +3. Степени окисления показывают, сколько электронов атом формально потерял или приобрел, и для перехода тербия из состояния +3 в состояние +4 требуется удалить один электрон. Состояние +3 является наиболее стабильным для тербия и хорошо изучено, в то время как его поведение в других состояниях исследовано гораздо меньше.

«Можно заставить его отдать или принять электрон, — объясняет Кори Картер, доцент кафедры химии Университета Айовы, — но в целом это энергетически невыгодно».

Как выделить тербий без использования бескислородной лаборатории

Картер проводил исследование вместе с Пере Миро, доцентом той же кафедры. Их команда создала молекулярную структуру из вольфрама и кислорода, называемую полиоксометаллатом, и добавила связующие вещества, известные как лиганды. Полученные структуры, напоминающие клетки, удерживали тербий на месте, пока исследователи изменяли его химический состав.

Когда атом тербия оказался зажат в этих «клетках», химики добавили персульфат калия — химический окислитель. В результате реакции у тербия отделился электрон, что изменило его заряд и привело к переходу в состояние окисления +4. Команда выделила эту необычную форму и подробно описала ее. 

«Одна из проблем с лантаноидами заключается в том, что они предпочитают находиться в одном и том же состоянии окисления, и сложно изменить это состояние и таким образом отделить один элемент от другого, не проводя эксперимент в строго контролируемой среде, например в лаборатории», — говорит Картер, соавтор исследования. «Но мы разработали метод выделения или разделения тербия путем изменения степени его окисления в среде, не требующей специального лабораторного контроля».

«Если бы вы проводили химический эксперимент у себя дома, это было бы похоже на то, что мы делали в лаборатории», — говорит он.

«Наши результаты демонстрируют способность Университета Айовы проводить революционные исследования и создают платформу для изучения актинидов в радиохимических лабораториях университета», — говорит Картер.