Utvikler nye prosesser for å undersøke noen av de sjeldneste og mest giftige elementene på jorden

Syntese og studie av radioaktive forbindelser er naturlig nok vanskelig på grunn av den ekstreme toksisiteten til materialene som er involvert, men også på grunn av kostnadene og mangelen på forskningsisotoper.

Nå har forskere fra Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) og deres samarbeidspartnere ved Oregon State University (OSU) utviklet en ny metode for å isolere og studere i detalj noen av de sjeldneste og mest giftige elementer på jorden. Forskningen vises i Naturkjemi.

Tradisjonelle syntetiske metoder og kjemiske studier fokuserer på små uorganiske eller organiske komplekser av den studerte isotopen og krever vanligvis flere milligram prøve per forsøk. Milligrammengder høres kanskje ikke så mye ut, men for noen isotoper tilsvarer dette verdens årlige forsyning. Noen radioisotoper er også for kostbare, for kortvarige eller for giftige til å bli studert med dagens metoder, noe som gjør dem utenfor rekkevidde for detaljerte kjemiske studier.

I den nye forskningen viste teamet at ved å utnytte grunnleggende kjemiske egenskaper, som f.eks molekylær vekt og løselighet, er det mulig å syntetisere koordinasjonsforbindelser av sjeldne/toksiske/radioaktive/edle elementer og karakterisere dem i stor detalj, mens man bruker svært små mengder, ned til mikrogramskalaen. Den nye metoden krever mer enn 1000 ganger mindre materiale enn tidligere avanserte tilnærminger, og representerer et banebrytende verktøy for å fremme kunnskap om de mest vanskelige å studere elementene på jorden.

Den nylig foreslåtte tilnærmingen kan brukes til å oppdage og studere mange nye forbindelser som inneholder sjeldne isotoper, for eksempel aktinider og radiolantanider – slik at forskere kan avdekke bindingstrender og muligens isotopiske trender i det periodiske systemet. Det tilbyr også en levedyktig vei for å isolere forbindelser og studere kjemien til elementer som har forblitt utilgjengelige med tidligere metoder, som aktinium, transcalifornium-elementer og mer.

“Enkelheten, effektiviteten og modulariteten til den nylig foreslåtte metoden er forbløffende, og den reduserer betydelig strålingseksponering til arbeidere, bevarer nasjonens isotopressurser og reduserer kostnadene drastisk,” sa LLNL-forsker og prosjektleder Gauthier Deblonde.

Metoden involverer tunge polyoksometalatligander (POM) og muliggjør enkel dannelse, krystallisering, håndtering og detaljert spektroskopisk og strukturell karakterisering av komplekser som inneholder sjeldne isotoper fra bare 1–10 mikrogram. Flere nye enkrystall røntgendiffraksjonsstrukturer ble funnet, inkludert tre nye forbindelser av curium. For kontekst er curiumisotoper ikke bare radiotoksiske, men de er også sjeldne og ekstremt dyre, til et punkt hvor bare 10 curiumkomplekser hadde blitt isolert og preget av enkeltkrystall røntgendiffraksjon siden oppdagelsen av dette elementet i 1944. tilnærmingen ga også den aller første eksperimentelle målingen av den 8-koordinerte ioniske radiusen til Cm³⁺ ion.

“Selve naturen til materialene som er involvert i denne forskningen har sine mange begrensninger, men den nye metoden overvinner dem. Nok til at vi kan begynne å forstå kjemien deres og sette pris på skjønnheten deres,” sa Ian Colliard, førsteforfatter av publikasjonen og OSU Ph.D. kandidat på studietidspunktet (nå postdoktor ved LLNL).

Studien avslørte også at POM-er har svært interessante egenskaper sammenlignet med klassiske molekyler. For eksempel innså teamet at de fleste POM-er gjengir curiumioner (dvs. Cm³⁺) svært selvlysende, og tilbyr en potensiell måte å oppdage dem selv ved svært lave konsentrasjoner. De ulike curium-POM-kompleksene som ble testet, viser sterk fluorescensemisjon, både i faststoff- og løsningstilstand. POM-ene danner også svært selvlysende komplekser med mange andre elementer som europium, terbium, dysprosium og samarium, og tilbyr en praktisk måte å studere kjemien deres på.

“Teamet fortsetter å bruke vår nye POM-baserte tilnærming for å låse opp studiet av mange nye aktinidforbindelser og sjeldne isotopmaterialer, med flere suksesser allerede i pipelinen,” sa Deblonde.

---

---