Frontiers in Chemistry (Français)

Introduction

L’élément #61 s’appelait à l’origine « Prométhée”, à la suggestion de l’épouse d’un de ses découvreurs, en l’honneur du héros mythique Prométhée (prométhium, le nouveau nom de L’élément 61, 1948), qui a volé le feu à Zeus et l’a transmis aux gens (Greenwood et Earnshaw, 1997a). Le nom était destiné à souligner non seulement la méthode d’obtention d’un élément utilisant l’énergie de fission nucléaire, mais aussi la menace de punition pour les instigateurs de la guerre., Selon la mythologie grecque, Zeus a puni Prométhée en l’enchaînant à un rocher pour être régulièrement torturé par un aigle (Cantrill, 2018). En 1950, la Commission Internationale de L’équilibre atomique a donné à l’élément # 61 son nom Moderne « prométhium », tandis que tous les anciens noms, illinium (Harris et al., 1926), florence, cyclonium et prometheum, ont été rejetés.

Le prométhium (Pm) est bien connu comme le seul élément de la série des lanthanides du tableau périodique sans isotopes stables (Burke, 2019); il n’est présent dans la croûte terrestre qu’en petites quantités dans certains minerais d’uranium., Il subit une désintégration radioactive de deux types: la capture d’électrons et l’émission bêta négative (Greenwood et Earnshaw, 1997b). Tout le prométhium, qui aurait pu exister sur la Terre lors de sa formation, aurait disparu dans les 10 000 ans.,

prométhium synthétique

Le prométhium, le lanthanide final à ajouter au tableau périodique, a acquis sa preuve indéniable d’existence en 1945 (découverte qui n’a été rendue publique qu’en 1947) par les chimistes américains Jacob Marinsky, Lawrence Glendenin et Charles Coryell (Guillaumont, 2019), qui ont isolé les isotopes radioactifs 147pm et 149pm des produits de fission La fission thermique induite par les neutrons de 235U a un rendement cumulatif (CY) de 2,25% à 147Pm (England et Rider, 1994). Cela signifie que pour chaque 100 fissions de 235U, il y en a 2.,25 atomes de 147pm produits. Le CY 149Pm pour la fission thermique induite par neutrons de 235U n’est que de 1,08%. La chromatographie échangeuse d’ions a ensuite été utilisée afin d’établir de manière convaincante L’identification des particules (McGill, 2000).

Les principaux isotopes du prométhium sont présentés dans le tableau 1; leurs applications seront décrites dans le corps principal de la présente mini-revue.

à ce jour, 38 isotopes différents des particules sont connus, dont la demi-vie va de< 1 µs à 17,7(4) ans (145pm) (May et Thoennessen, 2012; McLennan, 2018). Pour une description détaillée des isotopes du prométhium qui ont été découverts à ce jour, voir (May et Thoennessen, 2012).

Les produits de Fission dans le combustible nucléaire étaient normalement la principale source de 147Pm (Broderick et al., 2019)., Jusqu’aux années 1970, le laboratoire national D’Oak Ridge était riche en 147Pm obtenus par une méthode traditionnelle à Hanford, Washington (McLennan, 2018). Aujourd’hui, L’inventaire du laboratoire national D’Oak Ridge ne stocke plus de prométhium car le traitement du combustible nucléaire aux États-Unis a été arrêté et il n’y a pas de sources substantielles de 147pm à l’heure actuelle., Néanmoins, de manière identique à 155Eu et 171Tm, il est possible de produire 147Pm par capture neutronique de 146Nd à 147nd, qui se désintègre β à 147pm, par désintégration β de 147Nd, son prédécesseur avec une demi-vie plus courte de près de 11 d (Knapp, 2008).

principales propriétés physiques et chimiques

en 1974, le prométhium métallique a été réduit de l’oxyde de prométhium avec du thorium métallique à 1 600°C avec une distillation supplémentaire du prométhium dans un dôme de quartz., En utilisant cette méthode, la température de fusion et la température de transformation de phase du prométhium ont été établies: 1042 ± 5°C et 890 ± 5°C, respectivement (Angelini et Adair, 1976). Le point d’ébullition du prométhium est d’environ 3 000°C (McLennan, 2018).

Le rayon ionique du prométhium est de 110 pm (en coordination 8 fois), ce qui est très similaire à ses éléments voisins, le néodyme (112 pm) et le samarium (108 pm) (McLennan, 2018). Par conséquent, la similitude étroite des rayons ioniques et le même état d’oxydation commun (+3) rendent difficile la séparation des particules de Nd et de Sm (Balaram, 2019)., Lorsqu’il n’existe pas d’isotopes stables, des déductions concernant les propriétés chimiques peuvent être tirées de substituts chimiques connus (dans le cas du prométhium, d’autres éléments des terres rares) (Contamination radiologique des océans: auditions de surveillance devant le sous-comité de l’énergie et de l’environnement de la Commission des Affaires intérieures et insulaires et de la Chambre des représentants, quatre-vingt-quatorzième Congrès, deuxième Session sur les questions relatives à, 1976)., Les principaux composés Pm3+ comprennent: Pm (OH) 3 (brun clair), Pm2O3 (blanc jaune), PmCl3(jaune), Pm (NO3) 2(Rose), PmF3, Pm2(C2O4)3·10H2O et Pm2 (SO4) 3 (Da et Jincheng, 2000; Sharma, 2001). Pm peut également représenter un État d’oxydation de +2. Les propriétés thermodynamiques des Pm2+ indiquent que, de la même manière que NdCl2 et SmCl2, des PmF2, PmCl2 et PmI2 stables peuvent également être obtenus (Sharma, 2001).

sources D’alimentation

Le prométhium-147 est utilisé dans les batteries atomiques à longue durée de vie (Flicker et al.,, 1964), dans lequel des échantillons de prométhium à petite échelle sont insérés dans une matrice semi-conductrice pour transformer leur émission bêta en électricité (Matheson, 1975). L’énergie bêta moyenne de 147Pm est de 62 keV (Shao et al., 2017). Les batteries Pm peuvent être utilisées dans les cas où d’autres types de batteries seraient extrêmement lourds, par exemple, les satellites ou les sondes spatiales (Vl, 1956). Les batteries à radio-isotopes sont généralement thermoélectriques (contenant du Pu ou de L’Am) (Wiss et al.,, 2017) basé sur la chaleur générée par la désintégration radioactive, ou betavoltaic (alphavoltaic) basé sur la génération de paires électron/trou dans un semi-conducteur (tel que 147pm ou d’autres isotopes comme le tritium ou 63Ni) (Gale et al., 1975; Purdy, 1986; Spencer et Chandrashekhar, 2013; Murphy et coll., 2019; Xue et coll., 2019). Les batteries betavoltaïques, comparées aux batteries thermoélectriques (Matheson, 1975), se caractérisent par une taille plus petite et un prix plus raisonnable. Les Betavoltaics ont également la caractéristique de puissance ou de courant plus faible (que les batteries thermoélectriques ou même Li-ion par exemple) (Gale et al.,, 1975; Chandrashekhar et coll., 2006, 2007; Olsen et coll., 2012; Murphy et coll., 2019). Ils sont utiles lorsque la faible puissance est nécessaire pour des périodes de plusieurs années. Malheureusement, leur période de service ne dépasse pas actuellement dix ans. Les dernières avancées dans la technologie de betavoltaics, cependant, devraient prolonger la période de service à quinze ans. Par exemple, Betacel®, une batterie betavoltaïque, répond aux normes de corrosion et d’incendie de crémation et convient à un usage clinique (Spencer et Chandrashekhar, 2012) et aux stimulateurs cardiaques (Smith et al., 1975; Purdy, 1986)., Les microbatteries alimentées au prométhium-147 avec une durée de vie allant jusqu’à 5 ans et une densité de puissance moyenne de 5 mW / cm3 sont des candidats appropriés pour les stimulateurs cardiaques implantables (Gasper et Fester, 1975; Rosenkranz, 1975; Duggirala et al., 2007), où l’énergie électrique utile est convertie à partir de l’énergie de désintégration isotopique (Wheelwright et Fuqua, 1975; Greatbatch, 1980).

malgré sa vaste application dans les batteries bétavoltaïques, le prométhium peut également être utilisé dans les générateurs thermoélectriques à radioisotopes pour fournir de l’électricité aux sondes spatiales (Choppin et al., 2013)., Enfin, le prométhium a également trouvé son utilisation comme source de chaleur isotopique directe légèrement blindée (Fullam et Van Tuyl, 1969; McNeilly et Roberts, 1969).

Sources de rayons X portables

bien que le prométhium – 147 ait une faible émission gamma (Artun, 2017), il est une source de rayons β mous (Malson et al., 1980). L’Irradiation d’éléments lourds avec des particules β génère un rayonnement X (Ellis-Davies et al., 1985; Labrecque et coll., 1986), par conséquent, le prométhium doit être manipulé strictement selon les règles de sécurité. Le rayonnement X est généré lorsqu’un émetteur bêta particulier, 147pm (Sumiya et al.,, 1993; Llasat et coll., 2017), interagit avec certains éléments d comme le cobalt, l’iridium, le rhodium, le platine, le nickel, l’or et leurs mélanges. Les sources de rayonnement consistent généralement en un substrat ayant une surface métallique non radioactive, une couche métallique d’un isotope radioactif 147pm et un métal non radioactif avec un numéro atomique élevé.

mesures

sur la base du prométhium-147, une source d’énergie bêta couramment utilisée, des capteurs ont été développés pour mesurer des films aussi fins que 2,54–5,08 µm (Sneller, 1979; Brown et Coats, 1981). Par exemple, Adaptive Technologies Industries, Inc., (ATI) propose une technique moderne basée sur une jauge bêta numérique à semi-conducteurs, qui permet de réaliser des mesures en temps réel. Dans les jauges ATI, l’atténuation des particules β est utilisée pour la mesure de l’épaisseur ou de la masse de matériaux, y compris les plastiques, le papier et le métal. Une source de rayonnement et un détecteur de rayonnement sont les deux constituants principaux d’une jauge ATI. Un échantillon en vrac de particules est placé au-dessus du matériau étudié et un détecteur est placé en dessous. Le détecteur compte la quantité de rayonnement qui traverse le matériau. Si la tôle devient trop mince, plus de rayonnement passe à travers., La technique est également utilisée pour les mesures de la couche et du poids de base (Typpo, 2000; How beta gauge works, 2019).

Le prométhium-147 en tant que source de rayonnement est également utilisé pour déterminer l’épaisseur des feuilles d’agrumes d’orange aigre et de chaux douce d’une épaisseur de 10 à 40 mg / cm2. Fait intéressant, cette technique de mesure des rayons β peut également mesurer les changements dans la teneur en eau des feuilles causés par les cycles de mouillage et de séchage qui se produisent dans le sol (Bielorai, 1968)., Alternativement, les isotopes 14C et 204tl ont également été utilisés pour diverses mesures de l’épaisseur massique des feuilles (Takechi et Furudoi, 1970; Saini et Rathore, 1983). L’atténuation du rayonnement β à partir de 147Pm peut être utilisée dans des sondes miniatures pour des mesures en temps réel de la suspension de poussière dans la plage de concentration de 0,1 à 2,0 kg/m3 (Slezak et Buckius, 1983). De plus, le prométhium-147 est utilisé comme source d’ionisation dans les détecteurs de capture d’électrons pour analyser les pesticides dans les environnements aquatiques (Lubkowitz et Parker, 1971).,

Une autre application du prométhium en tant que détecteur PUR de capture d’électrons est la mesure du temps de confinement moyen des rayons cosmiques avant leur fuite de la galaxie (c’est-à-dire leur durée de vie), qui est un paramètre important dans l’évaluation des sources et de la propagation des rayons cosmiques dans la galaxie. Il est mesuré en comparant les abondances des rayons cosmiques de plusieurs isotopes Tc et Pm à celles des isotopes stables voisins., Les isotopes radioactifs, qui sont les plus utiles (143pm et 144pm) dans les « horloges cosmiques”, sont ceux dont les temps de désintégration sont comparables au temps de confinement (Drach et Salamon, 1987).

Lasers

La Pm est appliquée dans les lasers utilisés pour communiquer avec les sous-marins submergés (systèmes de communication laser satellite-sous-marin ou simplement SLC). Le spectre de fluorescence des Pm3 + est dominé par les transitions nominalement à 933 et 1098 nm (Krupke et al., 1987), respectivement. À température ambiante, ces collecteurs sont thermiquement inoccupés, ce qui permet une action laser à quatre niveaux à t ≈ 295 K., Le rendement élevé des lasers Pm et son fonctionnement à 919 nm rendent L’ion Pm3 + adapté à une utilisation dans des émetteurs laser SLC à semi-conducteurs (Shinn et al., 1988). On a rapporté que les lasers au prométhium à l’état solide étaient pompés par des réseaux de diodes 2D fonctionnant à 770 nm (McShea et al., 1988).

Illumination

les sources de Lumière Auto-lumineuses pour les Montres LCD qui comprennent une couche fluorescente contenant du prométhium sont parmi les plus répandues (Takami, 1980)., Le prométhium, qui se trouve habituellement sous forme oxydée, n’est pas néfaste pour le réseau phosphoreux et la luminosité du matériau diminue relativement lentement (Takami et Matsuzawa, 1981). De plus, les peintures à base d’isotopes du prométhium, ayant une demi-vie d’environ plus de 2 ans, sont plus sûres que les alternatives au radium. Promethium-147 est largement utilisé non seulement comme dispositifs d’éclairage de nuit, mais aussi comme sources lumineuses autonomes en activant le phosphore de sulfure de zinc avec un rayonnement β De 147pm (Ravi et al., 2001). Une autre utilisation des particules est dans les phosphores pour mettre en évidence diverses étiquettes sans consommation d’énergie., Après la découverte de la radioactivité, le radium a agi à ce titre jusqu’à ce que ses dommages soient révélés. Les composés de prométhium, cependant, se sont avérés être des phosphores radioactifs inoffensifs (Rafi et Rosli, 2018). Par conséquent, le prométhium a trouvé sa place dans les peintures fluorescentes. Les composés de prométhium utilisés pour faire briller le « vert printanier Moyen” Caractéristique (bleu-vert pâle) (Emsley, 2011) sont généralement des Pm2O3 ou des Pm(OH)3 (Takami et Matsuzawa, 1981; Ravi et al., 2001; Rafi et Rosli, 2018)., Par exemple, le prométhium a été utilisé pour éclairer les instruments des modules D’atterrissage Apollo lors des expéditions sur la Lune (English et al., 1973).

soins de santé

scellé 147Pm ne représente pas de danger en raison d’être facilement protégé (Drumheller, 1968); au contraire, le prométhium mal stocké devient un danger pour l’environnement.

L’effet de la consommation de prométhium a été largement étudié sur les animaux, y compris les rats, les lapins, les porcs et les chiens., Lorsqu’il est absorbé par les rats, le prométhium est principalement retenu dans les os ainsi que dans les extrémités des villosités de l’intestin grêle distal du tractus gastro-intestinal, la moitié de la dose restant une semaine après le sondage (Sullivan et al., 1984). Des expériences plus récentes sur la peau de rats ont illustré les voies de pénétration des radionucléides (Kassai et al., 2003). Pour identifier la pénétration des ions Pm3 + dans la membrane cellulaire, ainsi que la distribution extracellulaire et cellulaire du prométhium, une étude a été menée sur le muscle lisse de l’aorte de lapin., Au cours de l’étude, il a été constaté que des quantités importantes de prométhium ne s’accumulent pas à l’intérieur et ne sont pas excrétées par les cellules, mais sa distribution est correctement décrite par désorption des fibres accessibles depuis la surface (Weiss, 1996). Lorsque la peau de porc est exposée à des doses superficielles de prométhium (jusqu’à 10 krads), les particules β n’affectent pas la nature de la dépendance à la dose des paramètres des cellules basales épidermiques (Zavialov et al., 1977)., Lorsqu’il est absorbé par les porcs, il a été démontré que la majeure partie du prométhium est retenue dans les os de la même manière que les résultats observés chez les rats (Sullivan et al., 1984). Cinq mois et demi après que les beagles aient été exposés aux aérosols Pm2O3, le prométhium a été trouvé dans les organes des chiens principalement dans les poumons (44%), ainsi que dans le squelette (24%) et dans le foie (22%) (Stuart, 1966).

étonnamment, depuis le début des années 80, peu de choses ont été découvertes concernant l’effet du prométhium sur les organes humains; cependant, les tissus osseux sont des candidats possibles (Metabolic data for promethium, 1981)., Le prométhium-147 peut être identifié et analysé dans l’urine et les fèces à l’aide d’une technique simple de co-précipitation, qui s’applique principalement aux excréments d’anciens employés des usines de transformation du prométhium (Berk et Moghissi, 1985). En cas d’inhalation de peintures lumineuses contenant du prométhium, la plupart d’entre elles se déposent dans les poumons, pratiquement pas excrétées. Quelques jours après l’inhalation due à la phagocytose, l’activité est observée sous forme de « points chauds” dans les macrophages de l’épithélium bronchique et des parois alvéolaires, principalement à la périphérie des lobes pulmonaires (Kraus, 1976)., En cas d’ingestion, le prométhium-147 traverse le tube digestif sans être absorbé dans les parois du gros intestin inférieur; les doses de rayonnement peuvent être mesurées en examinant les excréments humains (Vennart, 1967).

en médecine, la thérapie bêta au prométhium peut guérir la radiculite lombo-sacrée (Purdy, 1986). Dans un hôpital de Genève, 142Pm a été utilisé dans un générateur in vivo pour la tomographie préclinique par émission de positons (Beyer et Ruth, 2003). Promethium-149, à son tour, en tant qu’émetteur bêta d’énergie moyenne, est un radilolanthanide approprié pour la radiothérapie ciblée par les récepteurs (Studer et al., 2019)., Un grand avantage de 149Pm est son émission de faible intensité de rayons γ imaginables (286 keV), qui fournit un suivi in vivo de la dose thérapeutique (Hu et al., 2002).

en outre, le prométhium peut prévenir la perte de cheveux, favoriser la repousse des cheveux et la formation de cheveux noirs, ainsi que supprimer ou même prévenir les pellicules (Kim et Choi, 2014).

Conclusions, perspectives et espace extra-atmosphérique

ici, nous avons résumé l’histoire, les techniques de synthèse et les principales applications du prométhium., Bien que l’intérêt pour les particules ait été maximal dans les années 1980, il a récemment reçu une attention renouvelée: par exemple, le prométhium figure parmi les matériaux stratégiques de L’année modèle 2013 Ford Fiesta, Focus, Fusion et F-150 (Field et al., 2017).

Les futures recherches sur les particules devraient nous amener dans l’espace. Le prométhium est utilisé comme source de rayonnement prototype dans les tentatives de simulation des conditions spatiales sur Terre (Hellweg et al., 2007). Étant donné que le rayonnement cosmique est identifié comme le plus dangereux pour la santé de l’équipage participant à des missions interplanétaires à long terme (par exemple,, Mars), 147pm le rayonnement est utilisé dans des expériences biologiques visant à déterminer la plage de dose d’irradiation autorisée de la survie des cellules rénales embryonnaires humaines (Hek) (Hellweg et al., 2008).

en 2004, L’identification possible des particules dans les spectres de HD 965 et HD 101065 a été rapportée (Cowley et al., 2004). La reconnaissance était basée sur des méthodes statistiques et traditionnelles d’identification des lignes (Fivet et al., 2007). Le prométhium est aussi parfois trouvé comme peu d’atomes de la désintégration de l’uranium détecté dans le spectre de L’étoile HR 465 D’Andromède., L’étoile fabrique évidemment des particules sur sa surface, en tenant compte du fait qu’aucun isotope Pm avec une demi-vie plus longue que celle de 145Pm ne peut exister. Ainsi, l & apos; origine insaisissable des particules dans l & apos; espace reste à expliquer (Emsley, 2011).

contributions des auteurs

VE était responsable de la recherche et de l’analyse de la littérature et de la préparation initiale des ébauches. MK était responsable de la formulation des objectifs du mini-examen et de la finalisation du projet initial. Les deux auteurs ont contribué à l’article et ont approuvé la version soumise.,

conflit d’intérêts

Les auteurs déclarent que la recherche a été menée en l’absence de toute relation commerciale ou financière pouvant être interprétée comme un conflit d’intérêts potentiel.

Remerciements

Les auteurs reconnaissent Diana Savchenko pour la création d’un brillant résumé graphique. L’inspiration pour le titre a été tirée du poème Ulysse D’Alfred Tennyson (Tennyson, 1842).