Nieuw onderzoek toont aan dat een van de zwaarste bekende elementen in grotere mate kan worden gemanipuleerd dan eerder werd gedacht, mogelijk de weg vrijmaken voor nieuwe strategieën voor het recyclen van splijtstof en betere langetermijnopslag van radioactieve elementen.

Een internationaal team van onderzoekers heeft aangetoond hoe curium - element 96 in het periodiek systeem en een van de laatste die met het blote oog te zien is - reageert op de toepassing van hoge druk die wordt gecreëerd door een monster tussen twee diamanten te persen.

Onder leiding van professor Thomas Albrecht-Schmitt van de Florida State University en medewerkers van de University at Buffalo and Aachen University, het team ontdekte dat het gedrag van de buitenste elektronen van curium - die van invloed zijn op het vermogen om zich te binden met andere elementen - kan worden veranderd door de afstand tussen het en de omringende lichtere atomen te verkleinen. De bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Natuur .

"Dit was niet voorzien omdat de chemie van curium het resistent maakt tegen dit soort veranderingen, " zei Albrecht-Schmitt, de Gregory R. Choppin hoogleraar scheikunde aan de Florida State University. "Kortom, het is vrij inert."

Hoewel alleen bepaalde curiumverbindingen veranderingen vertoonden, het was nog steeds interessant voor wetenschappers omdat curium normaal gesproken volledig bestand is tegen het veranderen van zijn eigenschappen.

Naast Albrecht-Schmitt, de studie werd geleid door de scheikundeprofessoren Jochen Autschbach en Eva Zurek van de Universiteit van Buffalo, evenals Manfred Speldrich, een onderzoeker aan de Universiteit van Aken in Duitsland.

Het werk van Albrecht-Schmitt maakt deel uit van de algemene missie van zijn laboratorium om de zwaardere, of actinide, elementen onderaan het periodiek systeem. in 2016, hij ontving 10 miljoen dollar van het ministerie van Energie om het Centrum voor Actinide Wetenschap en Technologie te vormen om zich te concentreren op het versnellen van wetenschappelijke inspanningen om nucleair afval op te ruimen.

Ondanks hun aanwezigheid op het periodiek systeem, de zwaardere elementen blijven nog grotendeels een mysterie voor wetenschappers, vooral in vergelijking met lichtere elementen zoals zuurstof of stikstof. "Het is een opwindend experiment dat aantoonde dat we veel meer controle hebben over de chemie van deze moeilijk te controleren elementen dan eerder werd gedacht, ', aldus Albrecht-Schmitt.

"Het curium (3+)-ion dat we hebben bestudeerd, heeft een halfgevulde buitenste elektronenschil die erg moeilijk is om chemische binding aan te gaan, " zei Autschbach, Larkin hoogleraar scheikunde aan de universiteit van Buffalo. "Een geïntegreerde experimentele en theoretische benadering toonde aan dat de toepassing van hoge druk op een kristal dat curium (3+) bevat, samen met zwavel-organische en ammoniumionen, zorgt ervoor dat de buitenste schil van curium deelneemt aan covalente chemische binding met zwavel. Deze bevinding kan helpen nieuwe manieren te vinden om het mysterieuze gedrag van chemisch resistente actinideschillen te bestuderen."

De groep van Autschbach aan de Universiteit van Buffalo voerde berekeningen uit die hielpen te verklaren wat er gebeurde tijdens de hogedrukexperimenten, onthullende details over hoe curium zich gedraagt ​​​​wanneer verbindingen die het element bevatten tussen diamanten worden geperst. Zureks team legde de basis voor deze berekeningen door de kristalstructuren van de verbindingen onder hoge druk te bepalen.

"Onder druk kunnen chemische verbindingen en materialen zich heel anders gedragen dan onder atmosferische omstandigheden, de ontdekkingen in hogedrukonderzoek zo opwindend maken, ' zei Zurek.

Een beter begrip van zwaardere elementen opent de deur naar aanvullende strategieën voor het beheersen van chemische scheiding die wordt gebruikt bij nucleaire recycling en bij het ontwerpen van veerkrachtige materialen voor langdurige opslag van radioactieve elementen, aldus Albrecht-Schmitt. Het onderzoeksteam gelooft dat de resultaten die ze behaalden met betrekking tot curium zich ook zullen vertalen naar andere zware elementen.

Het team is van plan dit werk te volgen door soortgelijke experimenten te ontwerpen voor zwaardere elementen zoals californium en einsteinium, waar de effecten van de druk zelfs groter zouden kunnen zijn dan wat ze voor curium hebben gevonden.