Tunge actinider – elementer i bunden af det periodiske bord, efter plutonium – er radioaktive, sjældne og kemisk komplekse, hvilket gør dem berygtet vanskelige at studere. De fleste undersøgelser, der blev udført på disse elementer, er traditionelt blevet udført en-sammensat-til-en-gang eller ekstrapoleret fra mindre giftige og ikke-radioaktive surrogater, som lanthanider, der er sikrere at arbejde med. Som sådan vides relativt lidt om de kemiske egenskaber ved tunge actinider.
Forskere ved Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) bryder gennem barrierer på dette felt med en strømlinet og effektiv “seriel tilgang” til syntese og analyse af tunge actinidforbindelser.
En ny undersøgelse offentliggjort i Journal of the American Chemical Society afslører, at Actinides Americium og Curium har virkelig unikke kemiske egenskaber, der afgår fra den historiske konsensus om, at nogle actinider og lanthanides udviser den samme kemi.
Ifølge forfatterne, LLNL -forskere Ian Colliard og Gauthier DeBlonde, er dette sandsynligvis den største krystallografiske og spektroskopiske datasæt, der nogensinde er frigivet på Americium- og Curium -forbindelser.
“Vores tilgang muliggør syntese, krystallisation og detaljerede strukturelle og spektroskopiske analyser af forbindelser indeholdende Americium og Curium, to af de sjældneste og mest udfordrende elementer at studere,” sagde Colliard. “Takket være ressourcerne på Livermore kan vi nu lave seriel kemi på elementer som disse – hvilket simpelthen ikke var muligt før.”
Deblonde og Colliard syntetiserede og karakteriserede koordinationskomplekser af Americium og Curium sammen med deres respektive lanthanidanaloger, neodymium og europium.
Her henviser et koordinationskompleks til en type kemisk forbindelse, hvor Americium- eller Curium -atomer er omgivet af polyoxometalater (POMS) ligander – tætte, stabile klynger af metal- og iltatomer. Disse ligander vikles omkring Americium- eller Curium -atomer og skaber et stabilt kompleks, der kan studeres detaljeret.
Oprettelse af et POM -kompleks er det første skridt til at opdage en ny forbindelse. Til deres undersøgelse undersøgte forskerne luminescensegenskaberne for 25 curium -POM -komplekser i vandige opløsninger, der repræsenterede et betydeligt eksperimentelt datasæt for feltet. Af disse 25 komplekser blev syv curiumforbindelser med succes isoleret som enkeltkrystaller og strukturelt karakteriseret, hvilket markerede forskellige bidrag til studiet af actinidkoordinationskemi.
Sammenlignet med tidligere undersøgelser, der krævede overalt fra 500 til 5.000 mikrogram af et sjældent tungt element til at producere en enkelt forbindelse, gjorde det muligt for forskerne at reducere de krævede beløb til kun 1-10 mikrogram pr. Reaktion at anvende POM’er. I den nuværende undersøgelse muliggjorde denne innovation effektiv syntese af Americium og Curium, men den kunne også anvendes til mange andre tunge elementer i fremtidig forskning.
Med det nyligt frigivne datasæt er ca. 45% af de curiumforbindelser, der er blevet strukturelt karakteriseret til dato, et resultat af forskning udført på LLNL.
“Nu kan vi få flere data, mens vi bruger langt færre af de dyrebare forskningsisotoper, der er produceret af Institut for Energi. Dette betyder, at vi kan se faktiske kemiske tendenser på tværs af en række forbindelser, ikke kun ekstrapolere fra enkeltforbundne eksperimenter,” sagde Deblonde. “Vi kan også uddanne studerende og den næste generation af radiokemister på elementer, der traditionelt har været uden for grænserne.”
For at studere og karakterisere forbindelsens strukturelle, vibrationelle og optiske egenskaber anvendte Colliard og DeBlonde en kombination af analytiske teknikker. Solid-state-spektroskopi afslørede sjældent observerede vibrationsinteraktioner mellem atomer i curiumkomplekserne, hvilket indikerer potentialet for nye udsendede (lysemitterende) veje.
Disse veje er vigtige for at fremme forståelsen af luminescensfænomener og egenskaberne ved elektroner, der kredserer tunge elementer tæt på lysets hastighed.
Disse fund udfordrer antagelsen om actinid -lanthanid lighed, hvilket afslører, at mens de deler nogle træk, viser actinider som Americium og Curium unik kemisk opførsel, som ikke kan forudsiges fuldt ud ved at studere lanthanider. De forskellige kemiske og fysiske egenskaber af actinider var tydelige på tværs af den nye serie af forbindelser.
Dernæst er forskerne ivrige efter at anvende deres “serielle tilgang” på andre sjældne elementer, der findes i nukleare applikationer, hvilket yderligere udforsker de unikke egenskaber ved elementer i kanten af den periodiske tabel.