En ny förening av curium (ett radioaktivt, sällsynt och kostsamt grundämne) fotograferad vid LLNL under kristallografiexperiment. Teamet från LLNL och OSU använde de så kallade "polyoxometalatliganderna" (POM) för att fånga sällsynta isotoper och bilda kristaller som är tillräckligt stora för att karakteriseras, även när endast 1-10 mikrogram av den sällsynta isotopen är tillgängliga. Kristaller av denna curiumförening är ofärgade under omgivande ljus men lyser intensivt rosa-rött när de utsätts för ultraviolett ljus. Kredit:Gauthier Deblonde/LLNL.
Syntesen och studien av radioaktiva föreningar är naturligtvis svåra på grund av den extrema toxiciteten hos de inblandade materialen, men också på grund av kostnaden och bristen på forskningsisotoper.
Nu har Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskare och deras medarbetare vid Oregon State University (OSU) utvecklat en ny metod för att isolera och studera i detalj några av de sällsynta och mest giftiga grundämnena på jorden. Forskningen visas i Nature Chemistry .
Traditionella syntetiska metoder och kemiska studier fokuserar på små oorganiska eller organiska komplex av den studerade isotopen och kräver vanligtvis flera milligram prov per försök. Milligrammängder kanske inte låter som mycket, men för vissa isotoper motsvarar detta världens årliga tillgång. Vissa radioisotoper är också för dyra, för kortlivade eller för giftiga för att kunna studeras med nuvarande metoder, vilket gör dem utom räckhåll för detaljerade kemiska studier.
I den nya forskningen visade teamet att genom att utnyttja grundläggande kemiska egenskaper, såsom molekylvikt och löslighet, är det möjligt att syntetisera koordinationsföreningar av sällsynta/toxiska/radioaktiva/dyrbara grundämnen och karakterisera dem i detalj, samtidigt som man använder mycket små mängder , ner till mikrogramskalan. Den nya metoden kräver mer än 1 000 gånger mindre material än tidigare toppmoderna tillvägagångssätt, vilket representerar ett banbrytande verktyg för att öka kunskapen om de mest svårstuderade elementen på jorden.
Det nyligen föreslagna tillvägagångssättet skulle kunna användas för att upptäcka och studera många nya föreningar som innehåller sällsynta isotoper, såsom aktinider och radiolantanider - vilket gör det möjligt för forskare att reda ut bindningstrender och möjligen isotopiska trender i det periodiska systemet. Det erbjuder också en gångbar väg att isolera föreningar och studera kemin hos grundämnen som har förblivit otillgängliga med tidigare metoder, såsom aktinium, transkaliforniumelement och mer.
"Enkelheten, effektiviteten och modulariteten hos den nyligen föreslagna metoden är häpnadsväckande, och den minskar avsevärt strålningsexponeringen för arbetare, bevarar landets isotopresurser och drastiskt sänker kostnaderna", säger LLNL-forskaren och projektledaren Gauthier Deblonde.
Metoden involverar tunga polyoxometalatligander (POMs) och möjliggör enkel bildning, kristallisering, hantering och detaljerad spektroskopisk och strukturell karakterisering av komplex som innehåller sällsynta isotoper från bara 1–10 mikrogram. Flera nya enkristallröntgendiffraktionsstrukturer hittades, inklusive tre nya föreningar av curium. För sammanhanget är curiumisotoper inte bara radiotoxiska, utan de är också sällsynta och extremt dyra, till en punkt där bara 10 curiumkomplex hade isolerats och karakteriserats av enkristallröntgendiffraktion sedan upptäckten av detta element 1944. Den nya tillvägagångssättet gav också den allra första experimentella mätningen av den 8-koordinerade jonradien för Cm 3+ jon.
"Själva naturen hos materialen som är involverade i den här forskningen har sina många begränsningar, men den nya metoden övervinner dem. Tillräckligt för att vi kan börja förstå deras kemi och uppskatta deras skönhet", säger Ian Colliard, första författare till publikationen och OSU Ph.D. kandidat vid tidpunkten för studien (nu postdoktor vid LLNL).
Studien visade också att POM har mycket intressanta egenskaper jämfört med klassiska molekyler. Till exempel insåg teamet att de flesta POM återger curiumjoner (dvs. Cm 3+ ) mycket självlysande, vilket erbjuder ett potentiellt sätt att detektera dem även vid mycket låga koncentrationer. De olika testade curium-POM-komplexen uppvisar stark fluorescensemission, i både fast tillstånd och lösningstillstånd. POM:erna bildar också mycket självlysande komplex med många andra element som europium, terbium, dysprosium och samarium, vilket erbjuder ett bekvämt sätt att studera deras kemi.
"Teamet fortsätter att tillämpa vårt nya POM-baserade tillvägagångssätt för att låsa upp studien av många nya aktinidföreningar och sällsynta isotopmaterial, med fler framgångar redan i pipelinen," sa Deblonde. + Utforska vidare
