Aktinider, en serie av 15 radioaktiva grundämnen, är avgörande för medicinen, energi, och det nationella försvaret. Forskare undersökte två ytterst sällsynta aktinider, berkelium och californium. Dessa element är i yttersta änden av vad som är möjligt att syntetisera i mer än atomer för kemiska studier. Dessa element är endast tillgängliga i minsta mängd. Forskarna visade att grundämnen kan förlora elektroner för att binda som lättare aktinider. Specifikt, de fann att +5 oxidationstillståndet är mycket stabilare än förväntat, och liknande stabiliteten som finns för lättare aktinider.

På grund av svårigheten att studera dessa radioaktiva och sällsynta grundämnen, varav de flesta bara har studerats sedan Manhattan-projektet, det finns mycket att lära. Grundläggande kunskap om det mest grundläggande, ännu okänd, kemi av aktinider, som att veta bättre hur två aktinider till, berkelium och californium, bildar bindningar vid höga oxidationstillstånd, skulle kunna gynna miljösanering vid kärnkraftsproduktionsanläggningar. Sådan kunskap kan också hjälpa till att utveckla nya kärnbränslen och upparbetning av dessa. Ytterligare, detta arbete löser en långvarig osäkerhet om aktinider.

När man bildar bindningar med syre eller deltar i reaktioner som involverar överföring av syreatomer, de tidiga aktinidelementen, protactinium genom curium, kan uppnå +5 oxidationstillstånd när den är bunden till två syreatomer. Forskare ville veta om detta oxidationstillstånd är viktigt för bindning av berkelium och kalifornium (de nästa två aktiniderna i serien efter plutonium, americium, och curium). Teamet syntetiserade positivt laddade berkelium- och kaliforniummolekyler som innehåller syreatomer inom en masspektrometer.

De skapade dessa molekyler, BkO ₂ ⁺ och CfO ₂ ⁺ , genom att överföra till aktinidmonoxidkatjonerna en andra syreatom från den vanliga gasen kvävedioxid. Teamets elektroniska strukturberäkningar på hög nivå visade att de producerade molekylerna är linjära, en betydande egenskap hos positivt laddade femvärda dioxidjoner i aktiniderna. Dissociationsenergierna för att bryta aktinid-syrebindningarna, som är minst 73 kcal/mol, är förvånansvärt höga. Dessa första femvärda berkelium- och kaliforniumarter avslöjar att +5-oxidationstillståndet är möjligt längre in i aktinidserien än vad som tidigare känts, vilket är nyckeln till att förstå den väsentliga naturen och kemin hos dessa element.