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Accueil > Science pour tous > 2019 - Année internationale du tableau périodique des éléments > Tous les éléments présentés

Gadolinium

Le huitième lanthanide de la classification périodique, le gadolinium, est un métal argenté, malléable et ductile. Il brûle facilement dans l’air et réagit avec l’eau avec dégagement de dihydrogène H2. Le métal est relativement abondant dans la croute terrestre (6 mg/kg ou 6 ppm). Il n’a pas de rôle biologique connu. La manipulation du gadolinium et de ses dérivés ne présente pas de risque car cet élément n’est pas absorbé par voie digestive ou contact cutané. Néanmoins, en application médicale, les dérivés du métal sont toxiques par voie intraveineuse directe (dose létale : 8-12 g pour un adulte). Le gadolinium a en effet la propriété de se substituer au calcium dans les nombreux processus biologiques où ce dernier élément intervient (coagulation, régularité du rythme cardiaque), ce qui entraine des effets plus ou moins sérieux selon la dose injectée. Complexé par des macromolécules, le gadolinium garde ses propriétés mais voit sa toxicité divisée par 100 environ.

La lepersonite, présent en Afrique équatoriale, est le seul minéral renfermant le galodinium comme lanthanide unique. Il est néanmoins très rare et les principales ressources exploitables sont la monasite et la bastnäsite. Les traitements acides successifs du minerai conduisent, après obtention des lanthanides majoritaires (lanthane, cérium, néodyme, praséodyme) à un concentrat regroupant des sels de samarium, europium et gadolinium (SEG). Ces sels sont séparés par chromatographie à échange d’ions. Le gadolinium est obtenu par réduction de son fluorure (GdF3) ou de son oxyde (Gd2O3) par le calcium à 1450°C sous atmosphère inerte (argon).

Échantillon de gadolinium de haute pureté (> 99,9 %).
Crédit photo : wikimedia.org

Étymologie  : Le gadolinium tire son nom du géologue finlandais Johan Gadolin (1760-1852), considéré comme le fondateur de la chimie scandinave. Homme complet, érudit, maitrisant 7 langues, fervent admirateur-et continuateur-des travaux de Lavoisier, il découvrit en 1792 au sein d’un minéral appelé plus tard gadolinite, le premier métal associé aux terres rares, l’yttrium (lequel ne fait pas partie de la famille des lanthanides). La gadolinite ne contient en fait que des traces de gadolinium (et ne peut être exploité comme source de ce métal). Néanmoins, le nom de gadolinium a été donné à l’élément 64 en l’honneur de l’apport exceptionnel de Gadolin à la chimie et plus généralement à la science.

Origine  : Le gadolinium est un élément produit principalement (à 85%) par capture de neutrons rapides, comme par exemple lors de la fusion d’étoiles à neutrons, où les neutrons rapides dans les coeurs très denses des étoiles sont capturés et grossissent les noyaux des éléments du pic du fer.

Historique  : Le chimiste Suisse Galissard de Marignac a identifié le gadolinium par spectroscopie sur un échantillon de gadolinite et de cérite (1880). La gadolinite renfermant trop peu de ce nouveau métal, c’est à partir de la cérite qu’il isola un oxyde inconnu (qui s’avéra plus tard être l’oxyde de gadolinium Gd2O3). En 1886, Lecoq de Boisbaudran (1838-1912), à qui l’on doit aussi la découverte du gallium en 1875, réussit à isoler le gadolinium à partir de la gadolinite.

J.C . Galissard de Marignac (1817-1894)
Crédit photo : Portrait d’auteur inconnu, vers 1850, École Nationale des Mines de Paris

Le gadolinium dans la vie courante :
De par ses propriétés magnétiques, le gadolinium est utilisé comme agent de contraste en Imagerie par Résonance magnétique Nucléaire (IRM). Après injection intraveineuse d’un complexe de gadolinium-bien moins toxique que le métal non complexé-les tissus anormaux, y compris cérébraux, concentrent l’élément. La présence de gadolinium améliore fortement le contraste des images obtenues, ce qui permet de localiser très précisément les tumeurs bénignes ou malignes. A noter que, même séquestré sous forme de molécule complexe, le gadolinium injecté a tendance à s’accumuler dans certains tissus, en particulier cérébraux, et peut dans certains cas (insuffisance rénale notamment) entrainer des complications mortelles.
Une trace de gadolinium (1 %) améliore les propriétés des alliages (aciers, alliages à base de chrome) en leur donnant une meilleure résistance thermique et à la corrosion. Le gadolinium absorbe les neutrons avec une remarquable efficacité et est employé dans les réacteur nucléaires.
Ses propriétés magnétiques le font également utiliser dans les super-aimants et dans les disques de stockage de données.

IRM d’un hématome intracérébral (AVC hémorragique).
A gauche, sans produit de contraste ; à droite après injection IV de produit de contraste à base de gadolinium
Crédit photo : Hellerhoff

Le gadolinium à UTINAM  :
L’équipe « Nanoparticules, contaminants, membranes » s’intéresse en particulier à l’élaboration de matériaux hybrides pour des applications biomédicales.
Récemment, l’équipe a synthétisé des nanoparticules de 5 nm de diamètre moyen à base de gadolinium utilisables en imagerie (IRM). Elles s’avèrent d’une grande sureté thérapeutique, en s’éliminant facilement par les voies rénales et en se fixant de façon préférentielle dans les tissus tumoraux. Ces nouveaux nanomatériaux ont aussi l’avantage de ne mettre en jeu qu’une faible concentration en gadolinium.