Supercomputing efterligner berkelium-eksperimenter for at validere nyt fund

Titan-supercomputeren ved Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) har gjort det muligt for forskere at udforske en uventet oxidationstilstand i de sjældne, radioaktivt grundstof berkelium, der først blev observeret i forsøg. OLCF er en brugerfacilitet for det amerikanske Department of Energy (DOE) Office of Science.

Et atoms oxidationstilstand er karakteriseret ved antallet af elektroner, det udveksler for at danne en forbindelse og giver information om, hvordan et grundstof interagerer med det omgivende miljø. Udgivet i april i Naturkemi , undersøgelsen hjælper med at udfylde huller i den grundlæggende forståelse af berkelium og kan have fremtidige applikationer til lav-toksicitetsadskillelse i håndtering af nukleart affald.

Forskere fra Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) erhvervede en lille prøve af den mest almindelige berkeliumisotop, Bk-249, fra DOE's Oak Ridge National Laboratory (ORNL) gennem DOE Isotope Program. I øvrigt, elementet og Berkeley Lab er navnebrødre af Berkeley, Californien, hvor grundstoffet blev opdaget i 1949.

Hos ORNL, radioaktive isotoper til forskning, inklusive Bk-249, produceres og renses med støtte fra DOE Isotope Program, som for nylig bidrog til en separat og meget publiceret undersøgelse - opdagelsen af ​​element 117. Det nye element fik officielt navnet "Tennessine" takket være, delvis, til ORNL's rolle i at syntetisere det berkelium, der kræves til dets skabelse.

Selvom berkelium først blev syntetiseret for over 60 år siden, dens isotop produceres i så små mængder og forbliver stabil i så kort tid (mindre end et år), at dens grundlæggende struktur og egenskaber sjældent studeres. At producere Bk-249 er også en langvarig opgave, der omfatter mange præcise trin og ekspertise fra en hel stab af videnskabsmænd og ingeniører, sagde Julie Ezold fra ORNL's Nuclear Materials Processing Group.

Et sjældent blik på berkelium

Imidlertid, Forskere kender mange egenskaber ved berkelium. Med et atomnummer på 97, det forekommer i en klasse af grundstoffer kendt som aktinider, som er metalliske, radioaktive grundstoffer med atomnumre mellem 89 og 103. Uran og plutonium er også aktinider, alligevel har de fleste af deres respektive isotoper meget længere halveringstider end Bk-249 og udsender højenergi-alfapartikler, hvorimod Bk-249 udsender beta-partikler med lavere energi. Forskere ved Berkeley Lab bruger højdrevet røntgenkrystallografi og massespektrometri til at studere den kemiske struktur af Bk-249, og hvordan den kan interagere med miljøet.

"Vi har undersøgt de spektroskopiske egenskaber af de tungere aktinider for at få en mere grundlæggende forståelse af disse elementer, som har anvendelse i det nukleare brændselskredsløb og affaldshåndtering, " sagde Rebecca Abergel, forsker og hovedforsker ved Berkeley Lab og en 2014-vinder af en DOE Office of Science Early Career Research Program-pris.

Abergels hold af aktinid-kemikere, herunder Gauthier Deblonde, arbejdet tæt sammen med proteinkrystallografer fra Roland Strongs laboratorium ved Fred Hutchinson Cancer Research Center.

I løbet af deres eksperimentelle arbejde, Abergels hold bemærkede noget mærkeligt. Tidligere forskning har vist alle trans-plutonium actinider (dem med atomnummer større end plutonium, eller 94) at stabilisere i en +III oxidationstilstand - en egenskab, der beskriver, hvordan grundstoffet laver kemiske bindinger. For at udforske dets kemiske grænser, forskere har forsøgt at skubbe berkelium ind i +IV oxidationstilstand ved hjælp af stærkt sure kemikalier, men effekten, selvom det er muligt, er flygtig.

I dette studie, Abergels team bandt Bk-249 til en syntetiseret organisk ligand, som er et molekyle, der binder sig til en central metalion (i dette tilfælde Bk-249) for at danne en forbindelse. Holdet har tidligere brugt denne ligand på aktinider for dens evne til at binde med den klasse af elementer. Ved at fange strukturen af ​​Bk-249, mens den er bundet til liganden, forskere forventede at lære mere om berkeliums strukturelle og kemiske egenskaber, inklusive dets +III oxidationstilstand.

"Vi bruger naturlige molekyler, eller ligander, lavet af bakterier for at binde sig til actinider. Et par af disse molekyler er bundet af proteiner, så du ender med et system med et protein, ligand, og metal (aktinidet) bundet sammen, " sagde Abergel. "I dette tilfælde, proteinet bandt ikke til metal-ligand-komplekset, indikerer en +IV oxidationstilstand."

I modsætning til sure kemikalier, en organisk ligand kunne tilbyde et mere naturligt og lettere alternativ til affaldshåndteringsapplikationer.

Simulering bekræfter eksperimentet

For at hjælpe med at kaste mere lys over de interessante eksperimentelle resultater, Abergels team henvendte sig til computerforskeren Wibe (Bert) de Jong, Beregningskemi, Materiale- og klimagruppeleder hos Berkeley Lab. Som en del af et storstilet innovativt og nyt beregningsmæssigt indvirkning på teori og eksperiment-projekt med fokus på fundamental aktinidkemi ledet af David Dixon ved University of Alabama, de Jong brugte 27-petaflop Titan-systemet på OLCF til at simulere Bk-249-binding til liganden og genererede derefter tilsvarende spektroskopidata.

"Actinide kemi er et vanskeligt område generelt med meget få eksperimentelle data tilgængelige, " sagde de Jong. "Computing hjælper meget ved at verificere eksperimentelle resultater, informere udformningen af ​​nye eksperimenter, eller tjene som erstatning for eksperimenter, så forskerne ikke skal beskæftige sig med radioaktiviteten."

Simuleringer på Titan og OLCF's 736-node Cray XC30 Eos inkluderede omkring 100 atomer, at fange hvordan Bk-249 binder til liganden i både +III og +IV oxidationstilstande. Den beregningsmæssige undersøgelse brugte NWChem, en skalerbar computerkemikode, der kan køre effektivt på tusindvis af computerprocessorer. For at beregne det store antal exciterede tilstande til stede i molekylære systemer som metal- og ligandforbindelsen i denne undersøgelse, holdet stolede på betydelige fremskridt inden for NWChem, der blev udviklet som en del af et Scientific Discovery through Advanced Computing (SciDAC) projekt ledet af Chris Cramer ved University of Minnesota, som de Jong er co-principal investigator for.

"Efter vi lavede beregningerne, vi genererede spektre, som vi direkte kunne sammenligne med dem, der blev genereret af Abergels eksperimenter, " sagde de Jong.

Ved at oversætte beregningsdataene til, hvordan de ville se ud som eksperimentelle data, forskere var i stand til at bekræfte, at de faktisk havde observeret en +IV oxidationstilstand i eksperimentet.

"Liganden tillader faktisk berkelium at oxidere fra +III til +IV, så dette fortæller os meget om, hvordan miljøer kan ændre fysikken og kemien af ​​aktinid-elementer, " sagde de Jong.

Forskere planlægger at bruge mere beregningsmodellering og simuleringer i forlængelse af denne undersøgelse.

"Vi har udvidet det til hele serien af ​​aktinider for at forstå den systemiske tendens til binding i denne serie, " sagde Abergel. "Vi er kun i begyndelsen af ​​det her, men det betyder, at vi får en bedre forståelse af, hvordan kemi påvirker, hvordan grundstoffet interagerer med miljøet."