تکنیسیوم: نخستین عنصر مصنوعی که زندگی‌های میلیون‌ها را نجات داد

در جدول تناوبی دمیتری مendelevich سلولی با شماره ۴۳ وجود دارد. سال‌ها این سلول خالی ماند. ساکن آن، که به عنوان یکی از مشتاق‌ترین شکارچیان عناصر شناخته می‌شد، به سختی به دست می‌آمد و از دنبال‌کنندگان خود پنهان می‌شد. اما مشخص شد که دلیل این مسئله پیچیدگی استخراج نبود، بلکه ماهیت خود این ماده بود: این ماده نمی‌توانست از زمان شکل‌گیری زمین تا کنون در زمین باقی بماند. امروز ما این عنصر را تکنیسیوم می‌شناسیم — اولین عنصری که به صورت مصنوعی ایجاد شده است و در عین حال عنصری است که هر روز زندگی‌های هزاران نفر را در بیمارستان‌های سراسر جهان نجات می‌دهد.

تکنیسیوم — تنها عنصری است که سبک‌تر از سرب است و هیچ یک از ایزوتوپ‌های پایدار ندارد. مکان آن در جدول — پیروزی قدرت پیش‌بینی‌کننده علم و همچنین یادبود اختراع انسان.

عنصر ۴۳: پیشگویی مندلئئف

در سال ۱۸۶۹، وقتی دمیتری مendelevich جدول تناوبی خود را به جهان معرفی کرد، در آن ۶۳ عنصر و چند جای خالی وجود داشت. او نه تنها جای خالی‌ها را باقی گذاشت، بلکه به طور شجاعانه خواص مواد هنوز کشف نشده را پیش‌بینی کرد. برای عنصر شماره ۴۳ که در سمت چپ مارگنز در گروه هفتم قرار دارد، دانشمند خواص آن را پیش‌بینی کرد و آن را «ایکا-مارگنز» (از زبان سانسکریت «ایکا» — یک) نامید.

در دهه‌های بعد، شیمیدانان به دنبال عنصر گم‌شده در کانه‌های مارگنز، مواد معدنی و باقی‌مانده‌های تولید شیمیایی بودند. حتی بعضی از ادعاهای پرزرق و برق: عنصر را «ایلمنیم»، «نپونیم»، «لوریوم» نامیدند. اما هیچ‌کدام از آن‌ها تایید نشد. امروز ما می‌دانیم چرا: تکنیسیوم رادیواکتیو است و طولانی‌ترین ایزوتوپ‌های آن با دوره نیمه‌زندگی حدود ۴ میلیون سال از کره زمین از زمان شکل‌گیری آن از بین رفته‌اند.

چرا «تکنیسیوم»؟ منشأ مصنوعی نام‌گذاری

نام این عنصر از کلمه یونانی «τεχνητός» (tehnētós) گرفته شده است که به معنای «مصنوعی» است. نام به طور دوگانه‌ای پیشگویی کرد: تکنیسیوم اولین عنصری بود که به صورت مصنوعی ایجاد شد و نه از مواد طبیعی.

تاریخ کشف: پلاستیک موبایل از برکلی

در سال ۱۹۳۷، فیزیکدان ایتالیایی امیلیو سگره در ایالات متحده، در آزمایشگاه ارنست لورنس — مخترع سیکلوترون — کار می‌کرد. سگره به رادیواکتیویت عجیب یکی از قطعات از کار افتاده‌ی شتاب‌دهنده — فولگی از موبایل مولیبدن — توجه کرد.

دانشمند فرض کرد که در اثر واکنش‌های هسته‌ای در مولیبدن (شماره اتمی ۴۲) عنصر جدیدی با شماره ۴۳ ایجاد شده است. او فولگی را به پالرمو برد، جایی که با کالرل پری، کانی‌شناس، عملیات شیمیایی پیچیده‌ای انجام داد. آن‌ها توانستند عنصر رادیواکتیوی جدید را به مقدار بسیار کم و خالص استخراج کنند.

ویژگی بنیادی: سبک‌ترین بدون ایزوتوپ‌های پایدار

تکنیسیوم سبک‌ترین عنصر جدول تناوبی است که هیچ یک از ایزوتوپ‌های پایدار ندارد. فرم‌های «دوره‌ای» آن: Tc-۹۷ (دوره نیمه‌زندگی ۲.۶ میلیون سال)، Tc-۹۸ (۴.۲ میلیون سال) و ایزوتوپ قابل دسترسی‌ترین آن — Tc-۹۹ (دوره نیمه‌زندگی ۲۱۱۰۰۰۰ سال).

در عین حال، تکنیسیوم طبیعی نیز در زمین وجود دارد. به مقدار بسیار کم (حدود ۱ نانوگرم در تن از سنگ معدن اورانیم) در فرآیند تقسیم خودکار اورانیم-۲۳۵ تشکیل می‌شود. در هر لحظه در کره زمین حدود ۱۸۰۰۰۰ تن تکنیسیوم وجود دارد — اما این فلز «در کانی‌های بزرگ» حل شده است.

ویژگی‌های غیرمنتظره: از ابر رسانایی تا کوبار شیمیایی

ویژگی‌های فیزیکی. تکنیسیوم یک فلز过渡ی نقره‌ای-سیاه است. شبکه کریستالی آن در شرایط استاندارد — شش‌گوشه‌ای، قابل کشش و قابل انعطاف است. تعجب‌آور است که در دمای پایین تکنیسیوم به یک ابر رسانا تبدیل می‌شود.

تنوع شیمیایی. برای تکنیسیوم، درجه‌های اکسیداسیون از −۱ تا +۷ وجود دارد و فرم پایدار آن هفت‌گانه (Tc^۷+) است. در این حالت شیمیدانان آن را با رین را مقایسه می‌کنند. این تنوع مشکلات جدی‌ای را در فرآیند پردازش سوخت هسته‌ای ایجاد می‌کند: واکنش‌های اکسیداسیون-رستانی با شرکت تکنیسیوم پیچیدگی فرآیندهای جداسازی اورانیم و پلوتونیم را افزایش می‌دهد.

کاربرد اصلی امروز: پزشکی هسته‌ای و تکنیسیوم-۹۹m

امروز بیشترین تعداد تکنیسیوم از پسماندهای صنعت هسته‌ای استخراج می‌شود — از سوزندهای سوخت هسته‌ای. میزان ایزوتوپ Tc-۹۹ در تقسیم اورانیم-۲۳۵ حدود ۶٪ است. اما در مرکز توجه نه Tc-۹۹ بلکه ایزومر هسته‌ای کوتاه‌عمر آن — Tc-۹۹m (m به معنای متاستابیل، حالت هسته‌ای تحریک‌شده) با دوره نیمه‌زندگی فقط ۶ ساعت است.

این ایزوتوپ یکی از پایه‌های پزشکی هسته‌ای مدرن است. بر اساس آن داروهای رادیوفارما برای تشخیص سرطان‌های بدخیم، ارزیابی جریان خون قلب و بررسی عملکرد بسیاری از اندام‌های داخلی تولید می‌شود. مکانیزم به این صورت است: Tc-۹۹m گاما‌های را آزاد می‌کند که به راحتی توسط دوربین‌های خاص قابل ردیابی هستند. این ایزوتوپ به بدن (معمولاً به صورت پیوند به مولکول‌هایی که به بافت‌های خاص جذب می‌شوند) تزریق می‌شود و سیگنالی می‌دهد که به پزشکان اجازه می‌دهد تومور، نقطه التهاب یا ناحیه وازوکاردی قلبی را ببینند.

دوره نیمه‌زندگی کوتاه رادیواکتیو این ایزوتوپ به دست آوردن تصویر دقیق و سریع‌تر از بدن و از بین بردن ماده به سرعت، بدون وارد کردن آسیب رادیویی زیاد، ممکن می‌کند. هر سال در جهان بیش از ۲۰ میلیون فرآیند تشخیصی با استفاده از تکنیسیوم-۹۹m انجام می‌شود. در روسیه تولید تولیدکنندگان تکنیسیوم-۹۹m در بخش علمی شرکت Rosatom انجام می‌شود.

خطر و محیط زیست: پسماندهای طولانی‌عمر

تکنیسیوم-۹۹ با دوره نیمه‌زندگی ۲۱۱۰۰۰۰ سال یک مشکل محیط زیستی جدی است. میزان آن در سوخت هسته‌ای به چند صد گرم در تن می‌رسد. این ایزوتوپ قابل حرکت در محیط زیست است و می‌تواند در موجودات زیستی تجمع یابد. بنابراین، دفن Tc-۹۹ یکی از وظایف ایجاد مخزن پسماندهای رادیواکتیو است. دوره نیمه‌زندگی و حرکت شیمیایی آن باعث می‌شود که به جعبه‌های خاص برای محافظت از آن جستجو شود.

آینده عنصر: کاتالیست‌ها، ابر رسانایی و داروهای رادیوفارما جدید

امروز تکنیسیوم همچنان یک عنصر نیمه‌بازار است، اما بسیار مهم در پزشکی تشخیصی. اما پتانسیل آن گسترده‌تر است. تکنیسیوم یک ماده پرسپکتیو برای تولید کاتالیست‌ها (مثلاً برای دегیدریل کردن ترکیبات آلی) و اجزای ابر رسانای با دمای بالا است. همچنین شیمیدانان روش‌های جدید برای جذب تکنیسیوم از پسماندهای رادیواکتیوی مایع با استفاده از جذب‌کننده‌ها و ترکیبات جدید برای پزشکی هسته‌ای هدفمند، از جمله ترانستانیک (تشخیص و درمان با یک مولکول) را توسعه می‌دهند.

در آینده ممکن است روش‌های جدیدی برای استخراج Tc-۹۹m از پسماندهای رآکتورها و شتاب‌دهنده‌ها ایجاد شود که تشخیص را بیشتر قابل دسترسی کند. همچنین استفاده از ایزوتوپ Tc-۹۹ در باتری‌های هسته‌ای برای دستگاه‌هایی که دهه‌ها بدون شارژ کار می‌کنند، پرسپکتیو است.

Permanent link to this publication: