Des expériences scientifiques sur cet élément hautement radioactif révèlent des propriétés inattendues – Technoguide

Depuis que l’élément 99 – einsteinium – a été découvert en 1952 au laboratoire national Lawrence Berkeley du ministère de l’Énergie (Berkeley Lab) à partir des débris de la première bombe à hydrogène, les scientifiques ont effectué très peu d’expériences avec lui car il est si difficile à créer et est exceptionnellement radioactive. Une équipe de chimistes du Berkeley Lab a surmonté ces obstacles pour rapporter la première étude caractérisant certaines de ses propriétés, ouvrant la porte à une meilleure compréhension des éléments transuraniens restants de la série des actinides.

Publiée dans la revue Nature, l’étude, «Caractérisation structurale et spectroscopique d’un complexe d’Einsteinium», a été codirigée par Rebecca Abergel, scientifique du Berkeley Lab, et Stosh Kozimor, scientifique du Los Alamos National Laboratory, et comprenait des scientifiques des deux laboratoires, UC Berkeley, et l’Université de Georgetown, dont plusieurs sont des étudiants diplômés et des boursiers postdoctoraux. Avec moins de 250 nanogrammes de l’élément, l’équipe a mesuré la toute première distance de liaison einsteinium, une propriété de base des interactions d’un élément avec d’autres atomes et molécules.

“On ne sait pas grand-chose sur l’einsteinium”, a déclaré Abergel, qui dirige le groupe de chimie des éléments lourds de Berkeley Lab et est professeur adjoint au département de génie nucléaire de l’UC Berkeley. «C’est une réalisation remarquable que nous ayons pu travailler avec cette petite quantité de matériau et faire de la chimie inorganique. C’est important parce que plus nous comprenons son comportement chimique, plus nous pouvons appliquer cette compréhension pour le développement de nouveaux matériaux ou de nouvelles technologies. , pas nécessairement seulement avec l’einsteinium, mais aussi avec le reste des actinides. Et nous pouvons établir des tendances dans le tableau périodique. “

De courte durée et difficile à faire

Abergel et son équipe ont utilisé des installations expérimentales qui n’étaient pas disponibles il y a des décennies lorsque l’einsteinium a été découvert pour la première fois – le Molecular Foundryat Berkeley Lab et le Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) au SLAC National Accelerator Laboratory, les deux installations des utilisateurs du DOE Office of Science – pour effectuer une spectroscopie de luminescence Expériences de spectroscopie d’absorption des rayons X.

Mais d’abord, obtenir l’échantillon sous une forme utilisable représentait presque la moitié de la bataille. «Tout ce document est une longue série d’événements malheureux», dit-elle ironiquement.

Le matériau a été fabriqué au réacteur isotopique à haut flux d’Oak Ridge National Laboratory, l’un des rares endroits au monde à être capable de fabriquer de l’éinsteinium, ce qui implique de bombarder des cibles de curium avec des neutrons pour déclencher une longue chaîne de réactions nucléaires. Le premier problème qu’ils ont rencontré était que l’échantillon était contaminé par une quantité importante de californium, car la fabrication d’einsteinium pur en une quantité utilisable est extrêmement difficile.

Ils ont donc dû abandonner leur projet initial d’utiliser la cristallographie aux rayons X – qui est considérée comme l’étalon-or pour obtenir des informations structurelles sur des molécules hautement radioactives mais qui nécessite un échantillon pur de métal – et ont plutôt proposé une nouvelle façon de faire des échantillons. et tirer parti des techniques de recherche spécifiques aux éléments. Les chercheurs de Los Alamos ont apporté une aide essentielle à cette étape en concevant un porte-échantillon parfaitement adapté aux défis intrinsèques à l’einsteinium.

Ensuite, lutter contre la désintégration radioactive était un autre défi. L’équipe du Berkeley Lab a mené ses expériences avec l’einsteinium-254, l’un des isotopes les plus stables de l’élément. Il a une demi-vie de 276 jours, soit le temps nécessaire pour que la moitié du matériau se désintègre. Bien que l’équipe ait pu mener de nombreuses expériences avant la pandémie de coronavirus, elle avait des plans pour des expériences de suivi qui ont été interrompues en raison des arrêts liés à la pandémie. Au moment où ils ont pu retourner dans leur laboratoire l’été dernier, la majeure partie de l’échantillon avait disparu.

Distance de liaison et au-delà

Néanmoins, les chercheurs ont pu mesurer une distance de liaison avec l’einsteinium et ont également découvert un comportement de chimie physique différent de ce à quoi on pourrait s’attendre de la série d’actinides, qui sont les éléments de la rangée inférieure du tableau périodique.

“Déterminer la distance de liaison peut ne pas sembler intéressant, mais c’est la première chose que vous voudriez savoir sur la manière dont un métal se lie à d’autres molécules. Quel type d’interaction chimique cet élément va-t-il avoir avec d’autres atomes et molécules?” Dit Abergel.

Une fois que les scientifiques ont cette image de l’arrangement atomique d’une molécule qui incorpore de l’einsteinium, ils peuvent essayer de trouver des propriétés chimiques intéressantes et d’améliorer la compréhension des tendances périodiques. “En obtenant ces données, nous obtenons une meilleure compréhension plus large du comportement de toute la série d’actinides. Et dans cette série, nous avons des éléments ou des isotopes qui sont utiles pour la production d’énergie nucléaire ou les produits radiopharmaceutiques”, a-t-elle déclaré.

De manière alléchante, cette recherche offre également la possibilité d’explorer ce qui se trouve au-delà du bord du tableau périodique, et éventuellement de découvrir un nouvel élément. “Nous commençons vraiment à comprendre un peu mieux ce qui se passe vers la fin du tableau périodique, et la prochaine chose est que vous pourriez également envisager une cible einsteinium pour découvrir de nouveaux éléments”, a déclaré Abergel. “Semblable aux derniers éléments découverts au cours des 10 dernières années, comme la tennessine, qui utilisait une cible de berkelium, si vous deviez être en mesure d’isoler suffisamment d’einsteinium pur pour faire une cible, vous pourriez commencer à chercher d’autres éléments et vous rapprocher à l’îlot (théorisé) de stabilité, «où les physiciens nucléaires ont prédit que les isotopes peuvent avoir des demi-vies de quelques minutes ou même de jours, au lieu de la microseconde ou moins des demi-vies communes dans les éléments super-lourds.

Les co-auteurs de l’étude étaient Korey Carter, Katherine Shield, Kurt Smith, Leticia Arnedo-Sanchez, Tracy Mattox, Liane Moreau et Corwin Booth de Berkeley Lab; Zachary Jones et Stosh Kozimor du Laboratoire national de Los Alamos; et Jennifer Wacker et Karah Knope de l’Université de Georgetown. La recherche a été soutenue par le bureau des sciences du DOE.

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