Aktiniderna - de kemiska grundämnena på den nedre raden av det periodiska systemet - används i applikationer som sträcker sig från medicinska behandlingar till rymdutforskning till kärnenergiproduktion. Men att rena målelementet så att det kan användas, genom att separera ut föroreningar och andra element, kan vara svårt och tidskrävande.

Nu har forskare vid Department of Energy Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) utvecklat en ny separationsmetod som är mycket effektivare än konventionella processer, öppnar dörren till snabbare upptäckt av nya element, lättare upparbetning av kärnbränsle, och, mest lockande, ett bättre sätt att uppnå aktinium-225, en lovande terapeutisk isotop för cancerbehandling.

Forskningen, "Ultraselektiv liganddriven separation av strategiska aktinider, " har publicerats i tidskriften Naturkommunikation . Författarna är Gauthier Deblonde, Abel Ricano, och Rebecca Abergel från Berkeley Labs avdelning för kemiska vetenskaper. "Det föreslagna tillvägagångssättet erbjuder en paradigmförändring för produktion av strategiska element, " skrev författarna.

"Vår föreslagna process verkar vara mycket effektivare än befintliga processer, innebär färre steg, och kan göras i vattenhaltiga miljöer, och kräver därför inte starka kemikalier, sade Abergel, ledare för Berkeley Labs Heavy Element Chemistry-grupp. "Jag tror att det här är väldigt viktigt och kommer att vara användbart för många applikationer."

Berkeley Lab är en av en handfull institutioner runt om i världen som studerar de nukleära och kemiska egenskaperna hos de tyngsta grundämnena. De flesta av dem var, faktiskt, upptäcktes vid Berkeley Lab under förra seklet. Abergels grupp har tidigare publicerat upptäckter om berkelium och plutonium och behandlingar för radioaktiv kontaminering.

Abergel noterade att den nya separationsmetoden uppnår separationsfaktorer som är många storleksordningar högre än nuvarande toppmoderna metoder. Separationsfaktorn är ett mått på hur väl ett grundämne kan separeras från en blandning. "Ju högre separationsfaktor, ju färre föroreningar det finns, ", sa hon. "Vanligtvis när du renar ett element kommer du att gå igenom cykeln många gånger för att minska föroreningar."

Med en högre separationsfaktor, färre steg och mindre lösningsmedel behövs, gör processen snabbare och mer kostnadseffektiv. Till exempel, forskarna visade för ett av de tre systemen de renade att de kunde reducera processen från 25 steg till bara två steg.

Berkeley Lab-forskarna demonstrerade sin metod först på aktinium-225, en isotop av aktinium som har visat mycket lovande radioterapeutiska tillämpningar. Det fungerar genom att döda cancerceller men inte friska celler, genom riktad leverans.

DOE:s isotopprogram arbetar aktivt med att öka produktionen av aktinium-225 genom hela komplexet av nationella laboratoriebaserade acceleratorer. Denna nya separationsmetod kan vara ett alternativ till kemiska processer som för närvarande är under utveckling. "Med alla produktionsprocesser, du måste rena den slutliga isotopen, ", sa Abergel. "Vår metod skulle kunna användas direkt efter produktion, före distribution."

De två andra aktinider som renats i denna studie var plutonium och berkelium. En isotop av plutonium, plutonium-238, används för kraftgenerering i robotar som skickas för att utforska Mars. Plutoniumisotoper finns också i avfall som genereras vid kärnkraftverk, där de måste separeras från uranet för att kunna återvinna uranet.

Slutligen, berkelium är viktigt för grundvetenskaplig forskning. En av dess användningsområden är som mål för upptäckt av nya element.

Processen bygger på den oöverträffade förmågan hos syntetiska ligander - små molekyler som binder metallatomer - att vara mycket selektiva när det gäller att binda till metalliska katjoner (positiva joner) baserat på metallens storlek och laddning.

Nästa steg, sa Abergel, är att utforska att använda processen på andra medicinska isotoper. "Baserat på vad vi har sett, denna nya metod kan verkligen generaliseras, så länge vi har olika laddningar på metallerna vi vill separera, "Att ha en bra reningsprocess tillgänglig kan göra allt lättare när det gäller efterproduktion och tillgänglighet."