Forskere opdager, at tung elementkemi kan ændre sig ved højt tryk

Ny forskning viser, at et af de tungeste kendte grundstoffer kan manipuleres i højere grad end hidtil antaget, potentielt bane vejen for nye strategier til genanvendelse af nukleart brændsel og bedre langtidsopbevaring af radioaktive grundstoffer.

Et internationalt team af forskere har demonstreret, hvordan curium - grundstof 96 i det periodiske system og et af de sidste, der kan ses med det blotte øje - reagerer på påføringen af ​​højt tryk skabt ved at presse en prøve mellem to diamanter.

Ledet af Florida State University professor Thomas Albrecht-Schmitt og samarbejdspartnere ved universitetet i Buffalo og Aachen University, teamet fandt ud af, at opførslen af ​​curiums ydre elektroner - som påvirker dets evne til at binde sig til andre grundstoffer - kan ændres ved at forkorte afstanden mellem det og omgivende lettere atomer. Resultaterne er offentliggjort i tidsskriftet Natur .

"Dette var ikke forudset, fordi curiums kemi gør det modstandsdygtigt over for disse typer ændringer, sagde Albrecht-Schmitt, Gregory R. Choppin professor i kemi ved Florida State University. "Kort sagt, det er ret inert."

Selvom kun visse curiumforbindelser udviste ændringer, det var stadig interessant for videnskabsmænd, fordi curium normalt er fuldstændig modstandsdygtig over for at få dets egenskaber ændret.

Ud over Albrecht-Schmitt, undersøgelsen blev ledet af University at Buffalo kemiprofessorer Jochen Autschbach og Eva Zurek samt Manfred Speldrich, en forsker ved Aachen Universitet i Tyskland.

Albrecht-Schmitts arbejde er en del af hans laboratoriums overordnede mission for bedre at forstå det tungere, eller aktinid, elementer i bunden af ​​det periodiske system. I 2016 han modtog 10 millioner dollars fra Department of Energy for at danne Center for Actinide Science and Technology for at fokusere på at fremskynde videnskabelige bestræbelser på at rydde op i atomaffald.

På trods af deres tilstedeværelse på det periodiske system, de tungere elementer er stadig stort set et mysterium for forskere, især sammenlignet med lettere grundstoffer som ilt eller nitrogen. "Det er et spændende eksperiment, der viste, at vi har meget større kontrol over kemien i disse vanskeligt kontrollerede elementer end tidligere antaget, " sagde Albrecht-Schmitt.

"Den curium(3+)-ion, vi undersøgte, har en halvfyldt ydre elektronskal, som er meget svær at indgå i kemisk binding, " sagde Autschbach, Larkin professor i kemi ved universitetet i Buffalo. "En integreret eksperimentel og teoretisk tilgang viste, at påføring af højtryk på en krystalholdig curium (3+), sammen med svovl-organiske og ammoniumioner, får den ydre skal af curium til at deltage i kovalent kemisk binding med svovl. Denne opdagelse kan hjælpe med at guide nye måder at studere den mystiske adfærd af kemisk resistente actinidskaller."

Autschbachs gruppe på universitetet i Buffalo udførte beregninger, der hjalp med at forklare, hvad der skete under højtryksforsøgene, afslører detaljer om, hvordan curium opfører sig, når forbindelser, der indeholder grundstoffet, presses mellem diamanter. Zureks team lagde grundlaget for disse beregninger ved at bestemme krystalstrukturerne af forbindelserne under højt tryk.

"Under tryk kan kemiske forbindelser og materialer opføre sig helt anderledes, end de gør ved atmosfæriske forhold, gør opdagelserne inden for højtryksforskning så spændende, " sagde Zurek.

Større forståelse af tungere grundstoffer åbner døren til yderligere strategier til at kontrollere kemisk adskillelse, der anvendes i nuklear genanvendelse og i design af modstandsdygtige materialer til langtidsopbevaring af radioaktive grundstoffer, sagde Albrecht-Schmitt. Forskergruppen mener, at de resultater, de opnåede i forbindelse med curium, også vil oversætte til andre tunge elementer.

Holdet planlægger at følge dette arbejde ved at designe lignende eksperimenter for tungere grundstoffer som californium og einsteinium, hvor virkningerne af trykket kunne være endnu større end det, de har fundet for curium.