Tunga grundämnen som kallas aktinider är viktiga material för medicin, energi, och det nationella försvaret. Men även om de första aktiniderna upptäcktes av forskare vid Berkeley Lab för mer än 50 år sedan, vi vet fortfarande inte mycket om deras kemiska egenskaper eftersom endast små mängder av dessa högradioaktiva grundämnen (eller isotoper) produceras varje år; de är dyra; och deras radioaktivitet gör dem utmanande att hantera och lagra säkert.

Men de enorma hindren för aktinidforskning kan en dag vara ett minne blott. Forskare vid det amerikanska energidepartementets Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och UC Berkeley har visat hur ett världsledande elektronmikroskop kan avbilda aktinidprover så små som ett enda nanogram (en miljarddels gram) – en mängd som är flera storleksordningar mindre än vad som krävs av konventionella tillvägagångssätt.

Deras fynd rapporterades nyligen i Naturkommunikation , och är särskilt betydelsefulla för co-seniorförfattaren Rebecca Abergel (abergel.lbl.gov/), vars arbete med kelatorer - metallbindande molekyler - har resulterat i nya framsteg inom cancerterapier, medicinsk bildbehandling, och medicinska motåtgärder mot kärnvapenhot, bland andra. Abergel är en fakultetsforskare som leder Heavy Element Chemistry-programmet vid Chemical Sciences Division vid Berkeley Lab, och biträdande professor i kärnteknik vid UC Berkeley.

"Det finns fortfarande så många obesvarade frågor angående kemisk bindning i aktinidserien. Med sådan toppmodern instrumentering, vi kan äntligen undersöka den elektroniska strukturen av aktinidföreningar, och detta kommer att tillåta oss att förfina molekylär designprinciper för olika system med tillämpningar inom medicin, energi, och säkerhet, sa Abergel.

"Vi visade att du kan arbeta med mindre material – ett nanogram – och få samma om inte bättre data utan att behöva investera i dedikerade instrument för radioaktiva material, " sa co-senior författare Andy Minor, anläggningschef för National Center for Electron Microscopy vid Berkeley Labs Molecular Foundry, och professor i materialvetenskap och teknik vid UC Berkeley.

Att tillåta forskare att arbeta med bara ett nanogram av ett aktinidprov kommer att avsevärt minska de höga kostnaderna för experiment som utförts med tidigare metoder. Ett gram av aktiniden berkelium kan kosta häpnadsväckande 27 miljoner dollar, till exempel. Ett aktinidprov som bara är ett nanogram minskar också strålningsexponering och kontamineringsrisker, Mindre tillagt.

I en uppsättning experiment vid TEAM 0.5 (Transmission Electron Aberration-corrected Microscope), ett elektronmikroskop med atomupplösning vid Molecular Foundry, forskarna avbildade enstaka atomer av berkelium och kalifornium för att visa hur mycket mindre aktinidmaterial som behövs med deras tillvägagångssätt.

I en annan uppsättning experiment med EELS (elektronenergiförlustspektroskopi), en teknik för att undersöka ett materials elektroniska struktur, forskarna var förvånade över att i berkelium observera en svag "spin-omloppskoppling, " ett fenomen som kan påverka hur en metallatom binder till molekyler. "Detta hade aldrig rapporterats tidigare, sa medförfattaren Peter Ercius, en stabsforskare vid Molecular Foundry som övervakar TEAM 0,5-mikroskopet. "Det är som att hitta en nål i en höstack. Det är fantastiskt vad vi kunde se."

Medförfattaren Alexander Müller tillskriver Berkeley Labs tvärvetenskapliga "team science"-metod för att sammanföra världens bästa experter inom elektronmikroskopi, tunga element kemi, kärnteknik, och materialvetenskap för studien.

"Eftersom Berkeley Lab lockar fantastiska forskare från alla vetenskapsområden, sådant tvärvetenskapligt samarbete kommer naturligt här, " sa han. "Jag fann personligen den aspekten mycket givande för detta projekt. Och nu när vi har etablerat detta tillvägagångssätt, vi kan sträva efter många nya riktningar inom aktinidforskning." Müller var postdoktor vid Berkeley Labs Molecular Foundry och UC Berkeleys institution för materialvetenskap och teknik vid tidpunkten för studien. Han är nu associerad vid München, Tyskland, kontor i Kearney, ett internationellt managementkonsultföretag.

Säkerhetsprotokoll på plats för forskningen involverade provberedning i dedikerade laboratorier och noggrann kartläggning av arbetsområden. Eftersom prover bereddes med minimala mängder (1-10 nanogram) av varje isotop, kontamineringsriskerna för utrustningen minimerades också, sa forskarna.

Forskarna hoppas kunna tillämpa sin metod för att undersöka andra aktinider, inklusive aktinium, einsteinium, och fermium.

"Ju mer information vi får från dessa små mängder radioaktiva grundämnen, desto bättre rustade kommer vi att vara för att utveckla nya material för strålbehandling av cancer och andra användbara tillämpningar, " sa Minor.

Medförfattare på tidningen inkluderar tidigare Berkeley Lab-postdoktor Gauthier Deblonde (medförfattare), nu forskare vid Lawrence Livermore National Laboratory, och Steven Zeltmann, en doktorand vid UC Berkeleys institution för materialvetenskap och teknik.