Die Synthese und Untersuchung radioaktiver Verbindungen ist natürlich schwierig aufgrund der extremen Toxizität der beteiligten Materialien, aber auch wegen der Kosten und Knappheit von Forschungsisotopen.
Jetzt haben Wissenschaftler des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) und ihre Mitarbeiter an der Oregon State University (OSU) eine neue Methode entwickelt, um einige der seltensten und giftigsten Elemente der Erde zu isolieren und detailliert zu untersuchen. Die Forschung erscheint in Naturchemie.
Herkömmliche Synthesemethoden und chemische Studien konzentrieren sich auf kleine anorganische oder organische Komplexe des untersuchten Isotops und erfordern typischerweise mehrere Milligramm Probe pro Versuch. Milligrammmengen klingen vielleicht nicht nach viel, aber für einige Isotope entspricht dies dem weltweiten Jahresvorrat. Einige Radioisotope sind auch zu kostspielig, zu kurzlebig oder zu giftig, um sie mit den derzeitigen Methoden zu untersuchen, wodurch sie für detaillierte chemische Studien unerreichbar bleiben.
In der neuen Forschung zeigte das Team, dass es durch die Nutzung grundlegender chemischer Eigenschaften wie Molekulargewicht und Löslichkeit möglich ist, Koordinationsverbindungen seltener/toxischer/radioaktiver/edler Elemente zu synthetisieren und sie im Detail zu charakterisieren, während sehr kleine Mengen verwendet werden , bis in die Mikrogramm-Skala. Die neue Methode erfordert mehr als 1.000-mal weniger Material als frühere hochmoderne Ansätze und stellt ein bahnbrechendes Werkzeug dar, um das Wissen über die am schwierigsten zu untersuchenden Elemente auf der Erde zu erweitern.
Der neu vorgeschlagene Ansatz könnte verwendet werden, um viele neue Verbindungen zu entdecken und zu untersuchen, die seltene Isotope wie Aktinide und Radiolanthanide enthalten, was es Wissenschaftlern ermöglicht, Bindungstrends und möglicherweise Isotopentrends im Periodensystem zu enträtseln. Es bietet auch einen praktikablen Weg, um Verbindungen zu isolieren und die Chemie von Elementen zu untersuchen, die mit früheren Methoden nicht zugänglich waren, wie Actinium, Transcalifornium-Elemente und mehr.
„Die Einfachheit, Wirksamkeit und Modularität der neu vorgeschlagenen Methode sind erstaunlich, und sie verringert die Strahlenbelastung der Arbeiter erheblich, schont die Isotopenressourcen des Landes und senkt die Kosten drastisch“, sagte der LLNL-Wissenschaftler und Projektleiter Gauthier Deblonde.
Die Methode umfasst schwere Polyoxometallat-Liganden (POMs) und ermöglicht die einfache Bildung, Kristallisation, Handhabung und detaillierte spektroskopische und strukturelle Charakterisierung von Komplexen mit seltenen Isotopen ab nur 1–10 Mikrogramm. Mehrere neue Einkristall-Röntgenbeugungsstrukturen wurden gefunden, darunter drei neue Verbindungen von Curium. Curiumisotope sind nicht nur radiotoxisch, sondern auch selten und extrem teuer, bis zu einem Punkt, an dem seit der Entdeckung dieses Elements im Jahr 1944 nur 10 Curiumkomplexe isoliert und durch Einkristall-Röntgenbeugung charakterisiert wurden. Das Neue Der Ansatz führte auch zur allerersten experimentellen Messung des 8-koordinierten Ionenradius des Cm3+-Ions.
„Die Natur der Materialien, die an dieser Forschung beteiligt sind, hat ihre vielen Einschränkungen, aber die neue Methode überwindet sie. Genug, damit wir anfangen können, ihre Chemie zu verstehen und ihre Schönheit zu schätzen“, sagte Ian Colliard, Erstautor der Veröffentlichung und OSU Ph.D. Kandidat zum Zeitpunkt der Studie (jetzt Postdoktorand am LLNL).
Die Studie zeigte auch, dass POMs im Vergleich zu klassischen Molekülen sehr interessante Eigenschaften haben. So erkannte das Team beispielsweise, dass die meisten POMs Curiumionen (dh Cm3+) stark lumineszierend machen, was eine potenzielle Möglichkeit bietet, sie selbst in sehr geringen Konzentrationen nachzuweisen. Die verschiedenen getesteten Curium-POM-Komplexe zeigen sowohl im Festkörper- als auch im Lösungszustand eine starke Fluoreszenzemission. Die POMs bilden auch mit vielen anderen Elementen wie Europium, Terbium, Dysprosium und Samarium stark lumineszierende Komplexe, die eine bequeme Möglichkeit bieten, ihre Chemie zu untersuchen.
„Das Team wendet weiterhin unseren neuen POM-basierten Ansatz an, um die Untersuchung vieler neuartiger Actinidverbindungen und seltener Isotopenmaterialien zu ermöglichen, wobei weitere Erfolge bereits in Vorbereitung sind“, sagte Deblonde.
Gauthier Deblonde, Polyoxometallate als Liganden zur Synthese, Isolierung und Charakterisierung von Verbindungen seltener Isotope im Mikrogrammmaßstab, Naturchemie (2022). DOI: 10.1038/s41557-022-01018-8. www.nature.com/articles/s41557-022-01018-8