Frontiers in Chemistry (Italiano)

ABSTRACT GRAFICO

Introduzione

Elemento #61 è stato originariamente chiamato “prometheum”, su suggerimento della moglie di uno dei suoi scopritori, in onore del mitico eroe Prometeo (Promezio, il Nuovo Nome per l’Elemento 61, 1948), che rubò il fuoco a Zeus e la passò a persone (Greenwood e Earnshaw, 1997a). Il nome intendeva sottolineare non solo il metodo per ottenere un elemento usando l’energia di fissione nucleare, ma anche la minaccia di punizione per gli istigatori della guerra., Secondo la mitologia greca, Zeus punì Prometeo incatenandolo a una roccia per essere torturato abitualmente da un’aquila (Cantrill, 2018). Nel 1950, l’International Atomic Balance Commission diede all’elemento #61 il suo nome moderno “promethium”, mentre tutti i vecchi nomi, illinium (Harris et al., 1926), Firenze, cyclonium, e prometheum, sono stati respinti.

Il promezio (Pm) è ben noto come l’unico elemento della serie dei lantanidi della tavola periodica senza isotopi stabili (Burke, 2019); si verifica nella crosta terrestre in piccole quantità in alcuni minerali di uranio., Subisce un decadimento radioattivo di due tipi: cattura elettronica ed emissione beta negativa (Greenwood e Earnshaw, 1997b). Tutto il promezio, che un tempo sarebbe esistito sulla Terra quando si è formato, sarebbe scomparso entro 10.000 anni.,

Sintetico di Promezio

Promezio, la finale di lantanidi per essere aggiunto alla tavola periodica, ha acquisito la sua innegabile evidenza dell’esistenza nel 1945 (una scoperta di cui non è stato reso pubblico fino al 1947) USA chimici Giacobbe Marinsky, Lawrence Glendenin e Charles Coryell (Guillaumont, 2019), che ha isolato il isotopi radioattivi 147Pm e 149Pm da uranio prodotti di fissione a Clinton Laboratori (TN, USA). La fissione indotta da neutroni termici di 235U ha una resa cumulativa 147Pm (CY) del 2,25% (Inghilterra e Rider, 1994). Ciò significa che per ogni 100 fissioni di 235U, ce ne sono 2.,25 atomi di 147Pm prodotti. Il 149pm CY per la fissione termica indotta da neutroni di 235U è solo 1,08%. La cromatografia a scambio ionico è stata successivamente utilizzata per stabilire in modo convincente l’identificazione del Pm (McGill, 2000).

Gli isotopi chiave del promezio sono riportati nella Tabella 1; le loro applicazioni saranno descritte in tutto il corpo principale della presente mini review.

Ad oggi, sono noti 38 diversi isotopi di Pm, che variano in emivita da < 1 µs a 17,7(4) anni (145Pm) (maggio e Thoennessen, 2012; McLennan, 2018). Per una descrizione dettagliata degli isotopi di promezio che sono stati scoperti fino ad oggi, vedi (maggio e Thoennessen, 2012).

I prodotti di fissione nel combustibile nucleare usati normalmente sono la fonte principale di 147Pm (Broderick et al., 2019)., Fino agli 1970, Oak Ridge National Laboratory era ricco con 147Pm che era stato ottenuto attraverso un metodo tradizionale a Hanford, Washington (McLennan, 2018). Oggi, l’inventario Oak Ridge National Laboratory non è più immagazzinare promezio come il trattamento del combustibile nucleare negli Stati Uniti è stato fermato, e non ci sono fonti sostanziali di 147Pm al momento., Tuttavia, identicamente a 155Eu e 171Tm, c’è l’opportunità di produrre 147Pm mediante cattura neutronica di 146Nd a 147Nd, che β-decade a 147Pm, attraverso β− decadimento di 147Nd, il suo predecessore con un’emivita più breve di quasi 11 d (Knapp, 2008).

Principali proprietà fisiche e chimiche

Nel 1974, il promezio metallico è stato ridotto dall’ossido di promezio con torio metallico a 1.600°C con ulteriore distillazione del promezio in una cupola di quarzo., Utilizzando questo metodo, sono state stabilite la temperatura di fusione e la temperatura di trasformazione di fase del promezio: 1042 ± 5°C e 890 ± 5°C, rispettivamente (Angelini e Adair, 1976). Il punto di ebollizione del promezio è ~3.000°C (McLennan, 2018).

Il raggio ionico del promezio è 110 pm (in coordinazione 8 volte), che è molto simile ai suoi elementi vicini, neodimio (112 pm) e samario (108 pm) (McLennan, 2018). Quindi, la stretta somiglianza nei raggi ionici e lo stesso stato di ossidazione comune (+3) rendono difficile separare Pm da Nd e Sm (Balaram, 2019)., Quando non isotopi stabili esiste, detrazioni per quanto riguarda le proprietà chimiche possono essere estratti dalla chimica conosciuta surrogati (in caso di promezio, altri elementi delle terre rare) (Radiologici Contaminazione degli Oceani: la Vigilanza Udienze Prima della Sottocommissione per l’Energia e l’Ambiente della Commissione per Interni ed Insulare Affari e della camera dei Rappresentanti, Il quarto Congresso, Seconda Sessione su Questioni Relative al, 1976)., I principali composti Pm3 + includono: Pm (OH) 3 (marrone chiaro), Pm2O3 (giallo bianco), PmCl3(giallo), Pm (NO3) 2(rosa), PmF3, Pm2(C2O4)3·10H2O e Pm2 (SO4) 3 (Da e Jincheng, 2000; Sharma, 2001). Pm può anche rappresentare uno stato di ossidazione di +2. Le proprietà termodinamiche di Pm2 + indicano che, analogamente a NdCl2 e SmCl2, si possono ottenere anche PMF2, PmCl2 e PmI2 stabili (Sharma, 2001).

Fonti di energia

Promethium-147 è utilizzato in batterie atomiche a lunga durata (Flicker et al.,, 1964), in cui campioni di promezio su piccola scala vengono inseriti in una matrice di semiconduttori per trasformare la loro emissione beta in elettricità (Matheson, 1975). L’energia beta media di 147Pm è 62 keV (Shao et al., 2017). Le batterie Pm possono essere utilizzate nei casi in cui altri tipi di batterie sarebbero estremamente pesanti, ad esempio satelliti o sonde spaziali (Vl, 1956). Le batterie dei radioisotopi sono solitamente termoelettriche (contenenti Pu o Am) (Wiss et al.,, 2017) basato sul calore generato dal decadimento radioattivo, o betavoltaic (alphavoltaic) basato sulla generazione di coppie elettrone/foro in un semiconduttore (come 147Pm o altri isotopi come trizio o 63Ni) (Gale et al., 1975; Purdy, 1986; Spencer e Chandrashekhar, 2013; Murphy et al., 2019; Xue et al., 2019). Le batterie Betavoltaic, rispetto alle batterie termoelettriche (Matheson, 1975), sono caratterizzate da una dimensione più piccola e un prezzo più ragionevole. I betavoltaici hanno anche la caratteristica di potenza o corrente inferiore (rispetto alle batterie termoelettriche o addirittura agli ioni di litio, ad esempio) (Gale et al.,, 1975; Chandrashekhar et al., 2006, 2007; Olsen et al., 2012; Murphy et al., 2019). Sono utili quando è necessaria una bassa potenza per periodi di anni. Sfortunatamente, il loro periodo di servizio non supera attualmente i dieci anni. I più recenti progressi nella tecnologia di betavoltaics, tuttavia, dovrebbero prolungare il periodo di servizio a quindici anni. Ad esempio, Betacel®, una batteria betavoltaic, soddisfa sia gli standard di corrosione e cremazione fuoco ed è adatto per uso clinico (Spencer e Chandrashekhar, 2012) e in pacemaker cardiaci (Smith et al., 1975; Purdy, 1986)., Le microbatterie alimentate promethium-147 con una durata fino a 5 anni e una densità di potenza media di 5 mW/cm3 sono candidati adatti per pacemaker impiantabili (Gasper e Fester, 1975; Rosenkranz, 1975; Duggirala et al., 2007), dove l’energia elettrica utile viene convertita dall’energia di decadimento isotopico (Wheelwright e Fuqua, 1975; Greatbatch, 1980).

Nonostante la sua vasta applicazione nelle batterie betavoltaic, promethium può anche essere utilizzato in generatori termoelettrici radioisotopi per fornire energia elettrica per sonde spaziali (Choppin et al., 2013)., Infine, il promezio ha anche trovato il suo uso come fonte di calore isotopica diretta leggermente schermata (Fullam e Van Tuyl, 1969; McNeilly e Roberts, 1969).

Sorgenti di raggi X portatili

Sebbene promethium-147 abbia una bassa emissione gamma (Artun, 2017), è una fonte di raggi β morbidi (Malson et al., 1980). L’irradiazione di elementi pesanti con particelle β genera radiazioni a raggi X (Ellis-Davies et al., 1985; Labrecque et al., 1986), quindi, il promezio deve essere maneggiato rigorosamente secondo le norme di sicurezza. La radiazione a raggi X viene generata quando un particolare emettitore beta, 147Pm (Sumiya et al.,, 1993; Llasat et al., 2017), interagisce con alcuni elementi d come cobalto, iridio, rodio, platino, nichel, oro e loro miscele. Le sorgenti di radiazioni sono tipicamente costituite da un substrato avente una superficie metallica non radioattiva, uno strato metallico di un isotopo radioattivo 147Pm e un metallo non radioattivo con un alto numero atomico.

Misure

Sulla base di prometio-147, una fonte beta di energia comunemente utilizzata, sono stati sviluppati sensori in grado di misurare film sottili come 2,54–5,08 µm (Sneller, 1979; Brown e Coats, 1981). Ad esempio, Adaptive Technologies Industries, Inc., (ATI) offre una tecnica moderna basata sul calibro beta digitale a stato solido, che consente di ottenere misurazioni in tempo reale. Nei calibri di ATI, l’attenuazione delle β-particelle è impiegata per la misura di massa o di spessore dei materiali compreso la plastica, la carta ed il metallo. Una sorgente di radiazione e un rivelatore di radiazioni sono i due costituenti principali di un calibro ATI. Un campione sfuso di Pm è posto sopra il materiale studiato e un rivelatore è posto sotto. Il rivelatore conta la quantità di radiazione che passa attraverso il materiale. Se la lamiera diventa troppo sottile, passa più radiazione., La tecnica è utilizzata anche per le misurazioni del peso del cappotto e della base (Typpo, 2000; How beta gauge works, 2019).

Promethium-147 come fonte di radiazioni viene anche utilizzato per determinare lo spessore di arancio acido e foglie di agrumi calce dolce che sono 10-40 mg/cm2 di spessore. È interessante notare che questa tecnica di misurazione a raggi β può anche misurare i cambiamenti nel contenuto di acqua delle foglie causati dai cicli di bagnatura e asciugatura che si verificano nel terreno (Bielorai, 1968)., In alternativa, gli isotopi 14C e 204Tl sono stati utilizzati anche per varie misurazioni dello spessore della massa delle foglie (Takechi e Furudoi, 1970; Saini e Rathore, 1983). L’attenuazione della radiazione β da 147Pm può essere utilizzata in sonde miniaturizzate per misurazioni in tempo reale della sospensione di polvere nell’intervallo di concentrazione 0,1–2,0 kg/m3 (Slezak e Buckius, 1983). Inoltre, il promezio-147 viene utilizzato come fonte di ionizzazione nei rivelatori di cattura elettronica per l’analisi di pesticidi in ambienti acquatici (Lubkowitz e Parker, 1971).,

Un’altra applicazione del promezio come rivelatore puro di cattura elettronica è la misurazione del tempo medio di confinamento dei raggi cosmici prima della loro fuga dalla Galassia (cioè la loro vita), che è un parametro importante nella valutazione delle sorgenti e della propagazione dei raggi cosmici all’interno della Galassia. Si misura confrontando le abbondanze di raggi cosmici di diversi isotopi Tc e Pm a quelli dei vicini, isotopi stabili., Gli isotopi radioattivi, che sono più utili (143Pm e 144Pm) negli “orologi cosmici”, sono quelli con tempi di decadimento paragonabili al tempo di confinamento (Drach e Salamon, 1987).

Laser

Il PM viene applicato nei laser utilizzati per comunicare con sottomarini sommersi (sistemi di comunicazione laser satellite-sottomarino o semplicemente SLC). Lo spettro di fluorescenza di Pm3 + è dominato dalle transizioni nominalmente a 933 e 1098 nm (Krupke et al., 1987), rispettivamente. A temperatura ambiente, questi collettori sono termicamente non occupati, un fatto che consente un’azione laser a quattro livelli a T ≈ 295 K., L’alta efficienza dei laser Pm e il funzionamento a 919 nm rendono lo Pm Pm3 + adatto per l’uso in trasmettitori laser SLC completamente a stato solido (Shinn et al., 1988). I laser a promezio a stato solido sono stati pompati da array di diodi 2-D che operano a 770 nm (McShea et al., 1988).

Illuminazione

Le sorgenti luminose auto-luminose per orologi LCD che includono uno strato fluorescente contenente promezio sono tra le più diffuse (Takami, 1980)., Il promezio, trovandosi solitamente nella forma ossidata, non è dannoso per il reticolo fosforico e la luminosità del materiale diminuisce relativamente lentamente (Takami e Matsuzawa, 1981). Inoltre, le vernici a base di isotopi di promezio, con un’emivita di circa più di 2 anni, sono più sicure delle alternative al radio. Promethium-147 è ampiamente usato non solo come dispositivi di illuminazione notturna, ma anche come fonti di luce autosufficienti attivando il fosforo di solfuro di zinco con radiazione β di 147Pm (Ravi et al., 2001). Un altro uso del Pm è nei fosfori per evidenziare varie etichette senza consumo di energia., Dopo la scoperta della radioattività, il radio ha agito in questa capacità fino a quando non è stato rivelato il suo danno. I composti di promezio, tuttavia, si sono rivelati innocui fosfori radioattivi (Rafi e Rosli, 2018). Pertanto, il promezio ha trovato il suo posto nelle vernici fluorescenti. I composti di promezio usati per rendere il caratteristico” verde medio primaverile ” (blu pallido-verde) (Emsley, 2011) bagliore sono solitamente Pm2O3 o Pm(OH)3 (Takami e Matsuzawa, 1981; Ravi et al., 2001; Rafi e Rosli, 2018)., Ad esempio, il promezio è stato usato per illuminare gli strumenti nei moduli di atterraggio dell’Apollo durante le spedizioni lunari (English et al., 1973).

Healthcare

Sealed 147Pm non rappresenta un pericolo a causa della sua facile schermatura (Drumheller, 1968); al contrario, il promezio conservato in modo improprio diventa un pericolo ambientale.

L’effetto dell’assunzione di promezio è stato ampiamente studiato sugli animali, inclusi ratti, conigli, maiali e cani., Quando assorbito dai ratti, il promezio è prevalentemente trattenuto nelle ossa e nelle punte dei villi dell’intestino tenue distale del tratto gastrointestinale, con metà della dose rimanente una settimana dopo il sondaggio (Sullivan et al., 1984). Esperimenti più recenti sulla pelle dei ratti hanno illustrato le modalità di penetrazione dei radionuclidi (Kassai et al., 2003). Per identificare la penetrazione degli ioni Pm3+ nella membrana cellulare, nonché la distribuzione extracellulare e cellulare del promezio, è stato condotto uno studio sulla muscolatura liscia dell’aorta del coniglio., Nel corso dello studio, è stato riscontrato che quantità significative di promezio non si accumulano all’interno e non vengono escrete dalle cellule, ma la sua distribuzione è correttamente descritta dal desorbimento da fibre accessibili dalla superficie (Weiss, 1996). Quando la pelle di maiale è esposta a dosi superficiali di promezio (fino a 10 krad), le particelle β non influenzano la natura della dipendenza dalla dose dei parametri delle cellule basali epidermiche (Zavialov et al., 1977)., Quando assorbito dai suini, è stato dimostrato che la maggior parte del promezio viene trattenuta nelle ossa in modo simile ai risultati osservati nel caso dei ratti (Sullivan et al., 1984). Cinque mesi e mezzo dopo che i beagle sono stati esposti agli aerosol Pm2O3, il promezio è stato trovato negli organi dei cani principalmente nei polmoni (44%), così come nello scheletro (24%) e nel fegato (22%) (Stuart, 1966).

Sorprendentemente, dai primi anni ‘ 80 è stato scoperto poco sull’effetto che il promezio ha sugli organi umani; tuttavia, i tessuti ossei sono possibili candidati (Dati metabolici per promezio, 1981)., Promethium-147 può essere identificato e analizzato nelle urine e nelle feci utilizzando una semplice tecnica di co-precipitazione, che si applica principalmente agli escrementi di ex dipendenti degli impianti di lavorazione di promethium (Berk e Moghissi, 1985). Nel caso di inalazione di vernici luminose contenenti promezio, la maggior parte si deposita nei polmoni, praticamente non escreta. Pochi giorni dopo l’inalazione a causa della fagocitosi, l’attività è osservata come “hotspot” nei macrofagi nell’epitelio bronchiale e nelle pareti alveolari, principalmente alla periferia dei lobi polmonari (Kraus, 1976)., Se ingerito, promezio-147 passa attraverso il tratto digestivo senza essere assorbito nelle pareti dell’intestino crasso inferiore; le dosi di radiazioni possono essere misurate esaminando le feci umane (Vennart, 1967).

In medicina, la terapia beta promethium può curare la radicolite lombosacrale (Purdy, 1986). In un ospedale di Ginevra, 142Pm è stato utilizzato in un generatore in vivo per la tomografia ad emissione preclinica di positroni (Beyer e Ruth, 2003). Promezio-149, a sua volta, come emettitore beta a media energia, è un radilolantanide adatto per la radioterapia mirata ai recettori (Studer et al., 2019)., Un grande vantaggio di 149Pm è la sua emissione a bassa intensità di raggi γ immaginabili (286 keV), che fornisce il monitoraggio in vivo della dose terapeutica (Hu et al., 2002).

Inoltre, il promezio può prevenire la caduta dei capelli, promuovere la ricrescita dei capelli e la formazione dei capelli neri, nonché rimuovere o addirittura prevenire la forfora (Kim e Choi, 2014).

Conclusioni, prospettive e spazio esterno

Qui, abbiamo riassunto la storia, le tecniche di sintesi e le principali applicazioni del promezio., Anche se il picco di interesse in Pm era nel 1980, ha recentemente ricevuto rinnovata attenzione: per esempio, promethium è descritto tra i materiali strategici nel 2013 model year Ford Fiesta, Focus, Fusion e F-150 (Field et al., 2017).

La futura ricerca sul Pm dovrebbe portarci nello spazio esterno. Il promezio è usato come sorgente di radiazioni prototipo nel tentativo di simulare le condizioni spaziali sulla Terra (Hellweg et al., 2007). Poiché la radiazione cosmica è identificata come la più pericolosa per la salute dell’equipaggio che partecipa a missioni interplanetarie a lungo termine (ad es.,, Marte), 147Pm la radiazione viene utilizzata in esperimenti biologici volti a determinare l’intervallo di dose di irradiazione consentito della sopravvivenza delle cellule del rene embrionale umano (HEK) (Hellweg et al., 2008).

Nel 2004 è stata riportata la possibile identificazione del Pm negli spettri di HD 965 e HD 101065 (Cowley et al., 2004). Il riconoscimento era basato su metodi statistici e tradizionali di identificazione delle linee (Fivet et al., 2007). Il promezio è anche occasionalmente trovato come pochi atomi dal decadimento dell’uranio rilevati nello spettro stellare HR 465 di Andromeda., La stella sta evidentemente producendo Pm sulla sua superficie, tenendo conto che nessun isotopo Pm con un’emivita più lunga di quella di 145Pm può esistere. Quindi, l’origine sfuggente del Pm nello spazio esterno deve ancora essere spiegata (Emsley, 2011).

Contributi dell’autore

VE è stato responsabile per la ricerca e l’analisi della letteratura e la preparazione del progetto iniziale. MK è stato responsabile della formulazione degli obiettivi di mini review e della finalizzazione del progetto iniziale. Entrambi gli autori hanno contribuito all’articolo e hanno approvato la versione presentata.,

Conflitto di interessi

Gli autori dichiarano che la ricerca è stata condotta in assenza di rapporti commerciali o finanziari che potrebbero essere interpretati come un potenziale conflitto di interessi.

Riconoscimenti

Gli autori riconoscono Diana Savchenko per la creazione di un brillante astratto grafico. L’ispirazione per il titolo è stata tratta dal poema Ulysses di Alfred Tennyson (Tennyson, 1842).