Sinds element 99 - einsteinium - in 1952 werd ontdekt in het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy uit het puin van de eerste waterstofbom, wetenschappers hebben er maar heel weinig experimenten mee gedaan omdat het zo moeilijk te maken is en uitzonderlijk radioactief is. Een team van scheikundigen van Berkeley Lab heeft deze obstakels overwonnen om de eerste studie te rapporteren die enkele van zijn eigenschappen karakteriseert, de deur openen naar een beter begrip van de resterende transuranen van de actinidereeks.

Gepubliceerd in het tijdschrift Natuur , de studie, "Structurele en spectroscopische karakterisering van een Einsteiniumcomplex, " werd mede geleid door Berkeley Lab-wetenschapper Rebecca Abergel en Los Alamos National Laboratory-wetenschapper Stosh Kozimor, en omvatte wetenschappers van de twee laboratoria, UC Berkeley, en de Universiteit van Georgetown, een aantal van hen zijn afgestudeerde studenten en postdoctorale fellows. Met minder dan 250 nanogram van het element, het team heeft de allereerste einsteinium-bindingsafstand gemeten, een basiseigenschap van de interacties van een element met andere atomen en moleculen.

"Er is niet veel bekend over einsteinium, " zei Abergel, die de Heavy Element Chemistry-groep van Berkeley Lab leidt en een assistent-professor is bij de afdeling Nuclear Engineering van UC Berkeley. "Het is een opmerkelijke prestatie dat we met deze kleine hoeveelheid materiaal hebben kunnen werken en anorganische chemie hebben kunnen toepassen. Het is belangrijk, want hoe meer we weten over het chemische gedrag, hoe meer we dit begrip kunnen toepassen voor de ontwikkeling van nieuwe materialen of nieuwe technologieën, niet noodzakelijk alleen met einsteinium, maar ook met de rest van de actiniden. En we kunnen trends vaststellen in het periodiek systeem."

Van korte duur en moeilijk te maken

Abergel en haar team gebruikten experimentele faciliteiten die decennia geleden niet beschikbaar waren toen einsteinium voor het eerst werd ontdekt - de Molecular Foundry in Berkeley Lab en de Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) bij SLAC National Accelerator Laboratory, beide DOE Office of Science gebruikersfaciliteiten - om luminescentiespectroscopie en röntgenabsorptiespectroscopie-experimenten uit te voeren.

Maar eerst, het monster in een bruikbare vorm krijgen was bijna het halve werk. "Deze hele krant is een lange reeks van ongelukkige gebeurtenissen, ' zei ze wrang.

Het materiaal is gemaakt in de High Flux Isotope Reactor van Oak Ridge National Laboratory, een van de weinige plaatsen ter wereld die in staat is om einsteinium te maken, waarbij curiumdoelen worden gebombardeerd met neutronen om een ​​lange keten van kernreacties op gang te brengen. Het eerste probleem dat ze tegenkwamen, was dat het monster verontreinigd was met een aanzienlijke hoeveelheid californium, omdat het maken van puur einsteinium in een bruikbare hoeveelheid buitengewoon uitdagend is.

Dus moesten ze hun oorspronkelijke plan om röntgenkristallografie te gebruiken - wat wordt beschouwd als de gouden standaard voor het verkrijgen van structurele informatie over zeer radioactieve moleculen, maar waarvoor een puur metaalmonster nodig is - afschaffen en in plaats daarvan bedachten ze een nieuwe manier om monsters te maken en elementspecifieke onderzoekstechnieken. Onderzoekers van Los Alamos hebben bij deze stap cruciale hulp geboden door een monsterhouder te ontwerpen die uniek geschikt is voor de uitdagingen die inherent zijn aan einsteinium.

Vervolgens, kampen met radioactief verval was een andere uitdaging. Het Berkeley Lab-team voerde hun experimenten uit met einsteinium-254, een van de stabielere isotopen van het element. Het heeft een halfwaardetijd van 276 dagen, dat is de tijd waarin de helft van het materiaal vergaat. Hoewel het team veel van de experimenten kon uitvoeren vóór de coronaviruspandemie, ze hadden plannen voor vervolgexperimenten die werden onderbroken dankzij pandemiegerelateerde shutdowns. Tegen de tijd dat ze vorige zomer terug in hun lab konden komen, het grootste deel van het monster was verdwenen.

Bond afstand en daarbuiten

Nog altijd, de onderzoekers waren in staat om een ​​bindingsafstand met einsteinium te meten en ontdekten ook wat fysisch-chemisch gedrag dat anders was dan wat zou worden verwacht van de actinide-reeks, dat zijn de elementen op de onderste rij van het periodiek systeem.

"Het bepalen van de bindingsafstand klinkt misschien niet interessant, maar het is het eerste dat je zou willen weten over hoe een metaal bindt aan andere moleculen. Wat voor soort chemische interactie zal dit element hebben met andere atomen en moleculen?" zei Abergel.

Zodra wetenschappers dit beeld hebben van de atomaire rangschikking van een molecuul dat einsteinium bevat, ze kunnen proberen interessante chemische eigenschappen te vinden en het begrip van periodieke trends te verbeteren. "Door dit stukje gegevens te krijgen, we krijgen een betere, een breder begrip van hoe de hele actinidereeks zich gedraagt. En in die serie we hebben elementen of isotopen die nuttig zijn voor de productie van kernenergie of radiofarmaceutica, " ze zei.

verleidelijk, dit onderzoek biedt ook de mogelijkheid om te onderzoeken wat zich buiten de rand van het periodiek systeem bevindt, en mogelijk een nieuw element ontdekken. "We beginnen echt een beetje beter te begrijpen wat er gebeurt tegen het einde van het periodiek systeem, en het volgende is, je zou je ook een einsteinium-doelwit kunnen voorstellen voor het ontdekken van nieuwe elementen, "Abergel zei. "Vergelijkbaar met de nieuwste elementen die werden ontdekt in de afgelopen 10 jaar, zoals Tennessee, die een berkeliumdoelwit gebruikte, als je genoeg pure einsteinium zou kunnen isoleren om een ​​doelwit te maken, je zou op zoek kunnen gaan naar andere elementen en dichter bij het (getheoretiseerde) eiland van stabiliteit komen, " waar kernfysici hebben voorspeld dat isotopen een halfwaardetijd van minuten of zelfs dagen kunnen hebben, in plaats van de halfwaardetijden van microseconden of minder die gebruikelijk zijn in de superzware elementen.