Wetenschappers van de Universiteit van Manchester zijn erin geslaagd om actinidemetalen voor het eerst moleculaire actinide-actinidebindingen te laten vormen, het openen van een nieuw gebied van wetenschappelijk onderzoek in materiaalonderzoek.

Gerapporteerd in het journaal Natuur , een groep wetenschappers van de universiteiten van Manchester en Stuttgart heeft met succes de lang gezochte actinide-actinidebinding in een isoleerbare verbinding voorbereid en gekarakteriseerd.

Het grootste deel van het periodiek systeem bestaat uit metalen, dus het gebied van metaal-metaalbinding is een enorm onderzoeksgebied na bijna 180 jaar onderzoek, met toepassingen die het begrijpen van elektronische structuur omvatten, katalyse, chemie op metalen oppervlakken, magnetisme, en bio-anorganische chemie. Bulkmaterialen kunnen moeilijk te bestuderen zijn, er is dus grote belangstelling voor het bestuderen van moleculaire verbindingen met metaal-metaalbindingen, aangezien dergelijke soorten eenvoudiger in detail kunnen worden bestudeerd en ze modellen vormen die moleculaire fragmenten van bulkmaterialen vertegenwoordigen.

Hoewel metaal-metaalbinding uitermate goed ontwikkeld is voor overgangsmetalen en hoofdgroepelementen, die heeft gediend als de basis van de bovenstaande toepassingen, het is vrijwel onbekend gebleven voor de actinide-elementen, met voorbeelden die beperkt zijn tot spectroscopisch waargenomen transiënten of fundamentele diatomieën in vangexperimenten op microscopische schaal. Verder, voorspellingen doen over elementen in het relativistische regime aan de voet van het periodiek systeem is een grote uitdaging. Dus, experimentele realisatie van actinide-actinidebinding in routinematig te isoleren moleculen is al tientallen jaren een van de belangrijkste doelen van de synthetische actinidechemie.

De onderzoekers slaagden erin een gereduceerde, dat is elektronenrijk, trithorium-cluster. Als conventionele reducerende reagentia waren gebruikt, zou het resultaat gemist zijn, omdat die heterogene reagentia het trithoriumcluster langzaam produceren, dus alleen sporenhoeveelheden zijn op enig moment aanwezig als gevolg van ontleding tijdens langere reactietijden. Echter, de sleutel tot succes was het gebruik van een oplosbaar homogeen reducerend reagens dat bijna onmiddellijke reacties geeft, waardoor het trithoriumcluster in een hoge geïsoleerde opbrengst wordt verkregen voordat het kan ontleden.

Professor Steve Liddle, co-directeur van het Centrum voor Radiochemie Onderzoek (CRR) aan de Universiteit van Manchester, leidde het onderzoek. Hij zei:"Door precies het juiste reductiemiddel te gebruiken in combinatie met de juiste synthetische voorloper, we waren in staat om een ​​complex te isoleren dat ons anders zeker zou zijn ontgaan, wat de interessante vraag oproept of andere actinide-actinide-bindingen het veld eerder hebben ontweken, maar nu toegankelijk kunnen zijn."

Verrassend genoeg, met behulp van een reeks karakteriseringstechnieken, de onderzoekers ontdekten dat er zich in het hart van het molecuul twee gepaarde elektronen bevinden in een wolk van elektronendichtheid die gelijkelijk wordt verdeeld tussen de drie thoriumatomen. Deze zeer zeldzame situatie wordt sigma-aromatische binding genoemd, en het rapport hier breidt dit type binding uit tot een record zesde belangrijkste atomaire kwantumschil en tot de zevende rij van het periodiek systeem.

De trithoriumcluster valt op nog twee punten op. Ten eerste, het bevat actinide-actinidebindingen die op grote schaal kunnen worden gemaakt en geïsoleerd, die een bredere ontwikkeling en begrip van het en zijn chemie mogelijk zal maken, het openen van dit nieuwe veld. Ten tweede, de sigma-aromatische binding druist in tegen de overgrote meerderheid van eerdere theoretische voorspellingen en experimenteel gerealiseerde metaal-metaalbinding, het benadrukken van de moeilijkheden van het maken van voorspellingen over relativistische systemen.

Collega CRR co-directeur professor Nikolas Kaltsoyannis leidde de computationele analyse. Hij zei:"De chemische binding in dit prachtige molecuul is buitengewoon onverwacht, onderstreept hoe onvoorspelbaar de actinide-elementen kunnen zijn."

Het vermogen om nu actinide-actinide gebonden verbindingen te maken en te isoleren, waarvan de reactiviteit en eigenschappen nu eenvoudig kunnen worden onderzocht, biedt kansen om dit nieuwe gebied van metaal-metaalbindingschemie te laten groeien, bijvoorbeeld het leveren van modellen voor bulkactinidematerialen en mogelijk nieuw kwantumgedrag.