Eftersom element 99 - einsteinium - upptäcktes 1952 vid Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) från skräp från den första vätebomben, forskare har gjort väldigt få experiment med det eftersom det är så svårt att skapa och är exceptionellt radioaktivt. Ett team av Berkeley Lab -kemister har övervunnit dessa hinder för att rapportera den första studien som kännetecknar några av dess egenskaper, öppnar dörren för en bättre förståelse av de återstående transuraniska elementen i aktinidserien.

Publicerad i tidskriften Natur , studien, "Strukturell och spektroskopisk karakterisering av ett Einsteinium -komplex, "leddes av Berkeley Lab-forskaren Rebecca Abergel och Los Alamos National Laboratory-forskare Stosh Kozimor, och inkluderade forskare från de två laboratorierna, UC Berkeley, och Georgetown University, varav flera är doktorander och postdoktorer. Med mindre än 250 nanogram av elementet, laget mätte det första avståndet till ensteiniumbinding någonsin, en grundläggande egenskap för ett element interaktioner med andra atomer och molekyler.

"Det finns inte mycket känt om einsteinium, sa Abergel, som leder Berkeley Labs Heavy Element Chemistry -grupp och är biträdande professor vid UC Berkeleys kärntekniska avdelning. "Det är en anmärkningsvärd prestation att vi kunde arbeta med denna lilla mängd material och göra oorganisk kemi. Det är viktigt eftersom ju mer vi förstår om dess kemiska beteende, ju mer vi kan tillämpa denna förståelse för utveckling av nya material eller ny teknik, inte nödvändigtvis bara med einsteinium, men med resten av aktiniderna också. Och vi kan fastställa trender i det periodiska systemet. "

Kortlivad och svår att göra

Abergel och hennes team använde experimentella anläggningar som inte var tillgängliga för decennier sedan när einsteinium först upptäcktes - Molecular Foundry på Berkeley Lab och Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) vid SLAC National Accelerator Laboratory, både användaranläggningar för DOE Office of Science-att genomföra luminescensspektroskopi och röntgenabsorptionsspektroskopi-experiment.

Men först, att få provet i en användbar form var nästan halva striden. "Hela denna tidning är en lång rad olyckliga händelser, sa hon lurigt.

Materialet gjordes vid Oak Ridge National Laboratory's High Flux Isotope Reactor, en av bara några få platser i världen som kan skapa einsteinium, vilket innebär att bombardera curiummål med neutroner för att utlösa en lång kedja av kärnreaktioner. Det första problemet de stötte på var att provet var förorenat med en betydande mängd kalifornium, som att göra rent einsteinium i en användbar mängd är utomordentligt utmanande.

Så de var tvungna att skrota sin ursprungliga plan för att använda röntgenkristallografi-som anses vara guldstandarden för att erhålla strukturinformation om mycket radioaktiva molekyler men kräver ett rent metallprov-och kom istället på ett nytt sätt att göra prover och hävstångseffekt elementspecifika forskningstekniker. Forskare vid Los Alamos gav kritisk hjälp i detta steg genom att designa en provhållare som är unikt anpassad till de utmaningar som är inneboende i einsteinium.

Sedan, att bekämpa radioaktivt förfall var en annan utmaning. Berkeley Lab-teamet genomförde sina experiment med einsteinium-254, en av elementets mer stabila isotoper. Den har en halveringstid på 276 dagar, vilket är tiden för hälften av materialet att förfalla. Även om teamet kunde genomföra många av experimenten före coronaviruspandemin, de hade planer på uppföljningsexperiment som avbröts tack vare pandemirelaterade avstängningar. När de kunde komma tillbaka till sitt labb förra sommaren, det mesta av provet var borta.

Bondavstånd och bortom

Fortfarande, forskarna kunde mäta ett bindningsavstånd med einsteinium och upptäckte också en del fysikaliskt kemiskt beteende som var annorlunda än vad man kan förvänta sig av aktinidserien, som är elementen på den nedre raden i det periodiska systemet.

"Att bestämma bindningsavståndet låter kanske inte intressant, men det är det första du vill veta om hur en metall binder till andra molekyler. Vilken typ av kemisk interaktion kommer detta element att ha med andra atomer och molekyler? "Sa Abergel.

När väl forskare har denna bild av atomarrangemanget av en molekyl som innehåller einsteinium, de kan försöka hitta intressanta kemiska egenskaper och förbättra förståelsen för periodiska trender. "Genom att få den här informationen, vi får ett bättre, bredare förståelse för hur hela aktinidserien beter sig. Och i den serien, vi har element eller isotoper som är användbara för kärnkraftsproduktion eller radiofarmaka, " Hon sa.

Spännande, denna forskning ger också möjlighet att utforska vad som ligger utanför kanten av det periodiska systemet, och eventuellt upptäcka ett nytt element. "Vi börjar verkligen förstå lite bättre vad som händer mot slutet av det periodiska systemet, och nästa sak är, du kan också tänka dig ett einsteinium -mål för att upptäcka nya element, "Abergel sa." Liknar de senaste elementen som upptäcktes under de senaste 10 åren, som tennessine, som använde ett berkeliummål, om du skulle kunna isolera tillräckligt med rent einsteinium för att göra ett mål, du kan börja leta efter andra element och komma närmare stabilitetens (teoretiserade) ö, "där kärnfysiker har förutspått isotoper kan ha halveringstider på minuter eller till och med dagar, i stället för mikrosekunden eller mindre halveringstider som är vanliga i de supertunga elementen.