Kender du vejen til Berkelium, Californium?

Tunge elementer kendt som actiniderne er vigtige materialer til medicin, energi, og det nationale forsvar. Men selvom de første aktinider blev opdaget af forskere ved Berkeley Lab for mere end 50 år siden, vi ved stadig ikke meget om deres kemiske egenskaber, fordi der kun produceres små mængder af disse højradioaktive grundstoffer (eller isotoper) hvert år; de er dyre; og deres radioaktivitet gør dem udfordrende at håndtere og opbevare sikkert.

Men de massive forhindringer for aktinidforskning kan en dag være fortid. Forskere ved det amerikanske energiministeriums Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og UC Berkeley har demonstreret, hvordan et verdensførende elektronmikroskop kan afbilde aktinidprøver så små som et enkelt nanogram (en milliardtedel af et gram) - en mængde, der er adskillige størrelsesordener mindre end krævet af konventionelle tilgange.

Deres resultater blev for nylig rapporteret i Naturkommunikation , og er især vigtige for co-senior forfatter Rebecca Abergel (abergel.lbl.gov/), hvis arbejde med chelatorer - metalbindende molekyler - har resulteret i nye fremskridt inden for kræftbehandlinger, medicinsk billeddannelse, og medicinske modforanstaltninger mod nukleare trusler, blandt andre. Abergel er en fakultetsforsker, der leder Heavy Element Chemistry-programmet i Chemical Sciences Division på Berkeley Lab, og adjunkt i nuklear teknik ved UC Berkeley.

"Der er stadig så mange ubesvarede spørgsmål med hensyn til kemisk binding i actinid-serien. Med sådan en avanceret instrumentering, vi er endelig i stand til at undersøge den elektroniske struktur af aktinidforbindelser, og dette vil give os mulighed for at forfine molekylære designprincipper for forskellige systemer med anvendelser inden for medicin, energi, og sikkerhed, " sagde Abergel.

"Vi demonstrerede, at du kan arbejde med mindre materiale - et nanogram - og få de samme, hvis ikke bedre data uden at skulle investere i dedikerede instrumenter til radioaktive materialer, " sagde co-senior forfatter Andy Minor, facilitetsdirektør for National Center for Electron Microscopy at Berkeley Lab's Molecular Foundry, og professor i materialevidenskab og teknik ved UC Berkeley.

At tillade forskere at arbejde med kun et nanogram af en aktinidprøve vil reducere de høje omkostninger ved eksperimenter udført med tidligere metoder markant. Et gram af actinidet berkelium kan koste 27 millioner dollars, for eksempel. En actinidprøve, der kun er et nanogram, reducerer også strålingseksponering og forureningsrisici, Mindre tilføjet.

I et sæt eksperimenter ved TEAM 0.5 (Transmission Electron Aberration-corrected Microscope), et elektronmikroskop med atomopløsning ved Molecular Foundry, forskerne afbildede enkeltatomer af berkelium og californium for at demonstrere, hvor meget mindre aktinidmateriale der er behov for med deres tilgang.

I et andet sæt forsøg med EELS (elektronenergitabspektroskopi), en teknik til at sondere et materiales elektroniske struktur, forskerne blev overraskede over at se i berkelium en svag "spin-orbit-kobling, " et fænomen, der kan påvirke, hvordan et metalatom binder til molekyler. "Dette var aldrig blevet rapporteret før, " sagde medforfatter Peter Ercius, en stabsforsker ved Molecular Foundry, der fører tilsyn med TEAM 0,5-mikroskopet. "Det er som at finde en nål i en høstak. Det er utroligt, hvad vi kunne se."

Medlederforfatter Alexander Müller krediterer Berkeley Labs tværfaglige "team science" tilgang til at samle verdens bedste eksperter inden for elektronmikroskopi, tunge grundstoffers kemi, nuklear teknik, og materialevidenskab til undersøgelsen.

"Fordi Berkeley Lab tiltrækker fantastiske forskere fra alle videnskabsområder, et sådant tværfagligt samarbejde kommer naturligt her, " sagde han. "Jeg fandt personligt det aspekt meget givende for dette projekt. Og nu hvor vi har etableret denne tilgang, vi kan forfølge mange nye retninger inden for aktinidforskning." Müller var postdoc i Berkeley Lab's Molecular Foundry og UC Berkeley's Department of Materials Science and Engineering på tidspunktet for undersøgelsen. Han er nu associeret ved München, Tyskland, kontor i Kearney, et internationalt management konsulentfirma.

Sikkerhedsprotokoller på plads for forskningen involverede prøveforberedelse i dedikerede laboratorier og omhyggelig undersøgelse af arbejdsområder. Da prøver blev fremstillet med minimale mængder (1-10 nanogram) af hver isotop, forureningsfaren for udstyret blev også minimeret, sagde forskerne.

Forskerne håber at kunne anvende deres tilgang til undersøgelse af andre aktinider, herunder aktinium, einsteinium, og fermium.

"Jo mere information vi får fra disse små mængder af radioaktive grundstoffer, jo bedre rustet vil vi være til at fremme nye materialer til strålekræftbehandling og andre nyttige anvendelser, " sagde Minor.

Medforfattere på papiret inkluderer tidligere Berkeley Lab postdoc-forsker Gauthier Deblonde (medhovedforfatter), nu forsker ved Lawrence Livermore National Laboratory, og Steven Zeltmann, en kandidatstuderende ved UC Berkeleys afdeling for materialevidenskab og teknik.