Zware elementen bekend als de actiniden zijn belangrijke materialen voor medicijnen, energie, en landsverdediging. Maar hoewel de eerste actiniden meer dan 50 jaar geleden werden ontdekt door wetenschappers van Berkeley Lab, we weten nog steeds niet veel over hun chemische eigenschappen omdat er elk jaar slechts kleine hoeveelheden van deze hoogradioactieve elementen (of isotopen) worden geproduceerd; ze zijn duur; en hun radioactiviteit maakt het een uitdaging om ze veilig te hanteren en op te slaan.

Maar die enorme hindernissen voor onderzoek naar actiniden kunnen ooit tot het verleden behoren. Wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (Berkeley Lab) en UC Berkeley hebben aangetoond hoe een toonaangevende elektronenmicroscoop actinidemonsters kan afbeelden zo klein als een enkele nanogram (een miljardste gram) - een hoeveelheid die meerdere ordes van grootte kleiner dan vereist door conventionele benaderingen.

Hun bevindingen werden onlangs gerapporteerd in Natuurcommunicatie , en zijn vooral belangrijk voor mede-senior auteur Rebecca Abergel (abergel.lbl.gov/), wiens werk aan chelatoren - metaalbindende moleculen - heeft geresulteerd in nieuwe vooruitgang in kankertherapieën, medische beeldvorming, en medische tegenmaatregelen tegen nucleaire dreigingen, onder andere. Abergel is een faculteitswetenschapper die het Heavy Element Chemistry-programma leidt in de Chemical Sciences Division van Berkeley Lab, en assistent-professor in nucleaire engineering aan UC Berkeley.

"Er zijn nog zoveel onbeantwoorde vragen met betrekking tot chemische binding in de actinide-serie. Met zulke ultramoderne instrumenten, we zijn eindelijk in staat om de elektronische structuur van actinideverbindingen te onderzoeken, en dit zal ons in staat stellen om moleculaire ontwerpprincipes te verfijnen voor verschillende systemen met toepassingen in de geneeskunde, energie, en veiligheid, ' zei Abergel.

"We hebben aangetoond dat je met minder materiaal kunt werken - een nanogram - en dezelfde, zo niet betere gegevens kunt krijgen zonder te hoeven investeren in speciale instrumenten voor radioactieve materialen, " zei co-senior auteur Andy Minor, faciliteitsdirecteur van het National Center for Electron Microscopy bij Berkeley Lab's Molecular Foundry, en hoogleraar materiaalkunde en techniek aan UC Berkeley.

Door onderzoekers in staat te stellen met slechts een nanogram van een actinidemonster te werken, worden de hoge kosten van experimenten die met eerdere methoden zijn uitgevoerd aanzienlijk verlaagd. Een gram van het actinide berkelium kan maar liefst $ 27 miljoen kosten, bijvoorbeeld. Een actinidemonster dat slechts een nanogram is, vermindert ook de blootstelling aan straling en besmettingsrisico's, Minor toegevoegd.

In één reeks experimenten bij TEAM 0.5 (Transmission Electron Aberration-corrected Microscope), een atomaire resolutie elektronenmicroscoop bij de Molecular Foundry, de onderzoekers beeldden afzonderlijke atomen van berkelium en californium af om aan te tonen hoeveel minder actinidemateriaal nodig is met hun aanpak.

In een andere reeks experimenten met EELS (elektronenenergieverliesspectroscopie), een techniek om de elektronische structuur van een materiaal te onderzoeken, de onderzoekers waren verrast om in berkelium een ​​zwakke "spin-orbit-koppeling, een fenomeen dat invloed kan hebben op hoe een metaalatoom zich bindt aan moleculen. Dit was nog nooit eerder gemeld, " zei co-auteur Peter Ercius, een stafwetenschapper bij de Molecular Foundry die toezicht houdt op de TEAM 0.5-microscoop. "Het is als het vinden van een speld in een hooiberg. Het is verbazingwekkend wat we konden zien."

Mede-hoofdauteur Alexander Müller crediteert Berkeley Lab's interdisciplinaire "teamwetenschap"-benadering voor het samenbrengen van 's werelds beste experts op het gebied van elektronenmicroscopie, zware elementenchemie, nucleaire techniek, en materiaalkunde voor de studie.

"Omdat Berkeley Lab geweldige onderzoekers uit alle wetenschapsgebieden aantrekt, dergelijk interdisciplinair samenwerkingswerk is hier vanzelfsprekend, " zei hij. "Persoonlijk vond ik dat aspect zeer de moeite waard voor dit project. En nu we deze aanpak hebben vastgesteld, we kunnen veel nieuwe richtingen in actinide-onderzoek volgen." Müller was een postdoctoraal onderzoeker in Berkeley Lab's Molecular Foundry en UC Berkeley's Department of Materials Science and Engineering op het moment van de studie. Hij is nu een medewerker aan de München, Duitsland, kantoor van Kearney, een internationaal managementadviesbureau.

Veiligheidsprotocollen voor het onderzoek omvatten monstervoorbereiding in speciale laboratoria en zorgvuldige inspectie van werkgebieden. Omdat monsters werden bereid met minuscule hoeveelheden (1-10 nanogram) van elke isotoop, de besmettingsrisico's voor de apparatuur werden ook geminimaliseerd, aldus de onderzoekers.

De onderzoekers hopen hun aanpak toe te passen op het onderzoek naar andere actiniden, inclusief actinium, einsteinium, en fermium.

"Hoe meer informatie we krijgen van deze minieme hoeveelheden radioactieve elementen, hoe beter we zullen zijn om nieuwe materialen te ontwikkelen voor bestralingstherapie en andere nuttige toepassingen, ' zei Minor.

Co-auteurs op het papier zijn onder meer voormalig Berkeley Lab postdoctoraal onderzoeker Gauthier Deblonde (co-hoofdauteur), nu een onderzoekswetenschapper aan het Lawrence Livermore National Laboratory, en Steven Zeltmann, een afgestudeerde student in UC Berkeley's Department of Materials Science and Engineering.