Ny forskning visar att ett av de tyngsta kända elementen kan manipuleras i högre grad än man tidigare trott, möjligen banar väg för nya strategier för återvinning av kärnbränsle och bättre långtidslagring av radioaktiva element.

Ett internationellt team av forskare har visat hur curium - element 96 i det periodiska systemet och en av de sista som kan ses med blotta ögat - reagerar på applicering av högt tryck som skapas genom att klämma ett prov mellan två diamanter.

Under ledning av Florida State University professor Thomas Albrecht-Schmitt och medarbetare vid University at Buffalo and Aachen University, teamet fann att beteendet hos curiums yttre elektroner - som påverkar dess förmåga att binda till andra element - kan ändras genom att förkorta avståndet mellan det och omgivande ljusare atomer. Resultaten publiceras i tidskriften Natur .

"Detta var inte förväntat eftersom curiums kemi gör det resistent mot dessa typer av förändringar, "sa Albrecht-Schmitt, Gregory R. Choppin professor i kemi vid Florida State University. "Kortfattat, det är ganska inert. "

Även om endast vissa curiumföreningar uppvisade förändringar, det var fortfarande intressant för forskare eftersom curium normalt är helt resistent mot att dess egenskaper ändras.

Förutom Albrecht-Schmitt, studien leddes av University at Buffalo kemiprofessorer Jochen Autschbach och Eva Zurek samt Manfred Speldrich, forskare vid Aachen University i Tyskland.

Albrecht-Schmitts arbete är en del av hans labbs övergripande uppdrag att bättre förstå det tyngre, eller aktinid, element i botten av det periodiska systemet. 2016, han fick 10 miljoner dollar från Department of Energy för att bilda Center for Actinide Science and Technology för att fokusera på att påskynda vetenskapliga ansträngningar för att städa upp kärnavfall.

Trots deras närvaro på det periodiska bordet, de tyngre elementen är fortfarande i stort sett ett mysterium för forskare, särskilt jämfört med lättare element som syre eller kväve. "Det är ett spännande experiment som visade att vi har mycket större kontroll över kemin i dessa svårkontrollerade element än tidigare trott, "Sa Albrecht-Schmitt.

"Curium (3+) jonen som vi studerade har ett halvfullt yttre elektronskal som är mycket svårt att engagera sig i kemisk bindning, "sa Autschbach, Larkin professor i kemi vid universitetet i Buffalo. "En integrerad experimentell och teoretisk metod visade att applicering av högt tryck på en kristall innehållande curium (3+), tillsammans med svavelorganiska och ammoniumjoner, får det yttre skalet av curium att delta i kovalent kemisk bindning med svavel. Detta fynd kan hjälpa till att vägleda nya sätt att studera det mystiska beteendet hos kemiskt resistenta aktinidskal. "

Autschbachs grupp vid universitetet i Buffalo utförde beräkningar som hjälpte till att förklara vad som hände under högtrycksexperimenten, avslöjar detaljer om hur curium beter sig när föreningar som innehåller elementet kläms mellan diamanter. Zureks team lade grunden för dessa beräkningar genom att bestämma kristallstrukturerna i föreningarna under högt tryck.

"Under tryck kan kemiska föreningar och material bete sig helt annorlunda än de gör vid atmosfäriska förhållanden, gör upptäckterna inom högtrycksforskning så spännande, "Sa Zurek.

Större förståelse för tyngre element öppnar dörren till ytterligare strategier för att kontrollera kemisk separation som används vid kärnkraftsåtervinning och för att utforma fjädrande material för långtidslagring av radioaktiva element, Sa Albrecht-Schmitt. Forskargruppen tror att resultaten de uppnådde relaterade till curium kommer att översättas till andra tunga element också.

Teamet planerar att följa detta arbete genom att designa liknande experiment för tyngre element som californium och einsteinium, där effekterna av trycket kan vara ännu större än vad de har hittat för curium.