Neue Einblicke in die knifflige Chemie des Urans

Das Schwermetall Uran ist neben seiner radioaktiven Wirkung auch für seine komplexe Chemie und sein vielfältiges Bindungsverhalten bekannt. Nun hat ein internationales Forscherteam Synchrotronlicht an der Rossendorf Beamline (ROBL) genutzt, um die einzigartigen Eigenschaften von niedervalenten Uranverbindungen zu erforschen. wie die Forscher berichten im Journal Naturkommunikation.

An der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble betreibt das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) vier Experimentierplätze für radiochemische Experimente.

Uran gehört zu den Actinidenelementen des Periodensystems und fasziniert Wissenschaftler schon seit langem aufgrund seiner komplexen Elektronenkonfigurationen. Seine ungewöhnlichen und vielfältigen Bindungseigenschaften äußern sich in einer Vielzahl von Oxidationsstufen – manchmal sogar exotisch.

„In unserer aktuellen Studie haben wir uns auf niedervalentes Uran konzentriert, das im Vergleich zu anderen, häufigeren Uranverbindungen mehr Elektronen in seinen inneren Schalen enthält. Konkret haben wir das Verhalten der sogenannten 5f-Elektronen des Urans untersucht – Elektronen, die trotz ihrer Lage in den inneren Schalen eine entscheidende Rolle für die chemischen Eigenschaften des Elements spielen. Diese Elektronen beeinflussen maßgeblich, wie sich Uran mit anderen Elementen verbindet“, sagt Doktorandin Clara Silva vom Institut für Ressourcenökologie des HZDR.

„Aufgrund der radioaktiven Natur von Uran wurden die Experimente hier durchgeführt, in einer Einrichtung, die speziell für die Aktinidenforschung konzipiert wurde. Diese Umgebung bot die notwendigen Sicherheitsprotokolle und modernste Ausrüstung für die Durchführung der Studie“, sagt Prof. Kristina Kvashnina, Leiterin des ROBL und der Abteilung für Molekularstruktur des Instituts.

Um zu den neuen Erkenntnissen zu gelangen, verwendete das Team eine Technik namens resonante inelastische Röntgenstreuung, kurz RIXS. RIXS ist eine leistungsstarke Methode, bei der ein Material mit Röntgenstrahlen bombardiert und dann der Energieverlust gemessen wird, der durch die Streuung der Röntgenstrahlen am Material entsteht. Dieser Energieverlust liefert detaillierte Informationen über die elektronische Struktur des Materials und hilft den Wissenschaftlern zu verstehen, wie sich Elektronen, wie etwa die im 5f-Orbital von Uran, verhalten und interagieren.

Die Forscher ergänzten ihre Erkenntnisse mit einer weiteren speziellen Röntgentechnik: Die sogenannte HERFD-XANES-Methode liefert hochdetaillierte Informationen über die elektronische Struktur von Materialien, indem sie die Fluoreszenzdetektion mit hoher Energieauflösung – den HERFD-Teil – mit der Röntgenabsorptions-Nahkantenstrukturanalyse, abgekürzt XANES, kombiniert.

Das einzigartige Bindungsverhalten von Uran verstehen

„Zum ersten Mal konnten wir den dreiwertigen Oxidationsgrad von Uran, kurz U(III), genau bestimmen und direkt nachweisen. Damit konnten wir aufzeigen, wie Uranatome mit Elementen wie Fluor und Chlor interagieren und Bindungen eingehen“, skizziert Kvashnina die Ergebnisse der 15 Jahre dauernden Arbeit ihrer Gruppe.

Die Erkenntnisse werfen neues Licht auf die Natur der Actinidenbindungen und zeigen, wie die 5f-Elektronen des Urans auf Veränderungen in ihrer Umgebung reagieren.

Die Untersuchung niedervalenter Uranverbindungen ist nicht ohne Herausforderungen. Diese Verbindungen sind weniger stabil als andere uranhaltige Materialien und erfordern sorgfältig kontrollierte Bedingungen, um unerwünschte Reaktionen zu vermeiden.

Um die Stabilität der Uranproben zu gewährleisten, wurde die Forschung unter anoxischen Bedingungen – das heißt ohne Sauerstoffeinwirkung – und bei extrem niedrigen Temperaturen durchgeführt. Darüber hinaus erforderte die Komplexität der Daten den Einsatz modernster theoretischer Methoden, um die elektronische Struktur und die Bindungseigenschaften von Uran genau zu modellieren.

Unerwartete Erkenntnisse und umfassendere Auswirkungen

„Eine der überraschendsten Erkenntnisse der Studie war der Grad der Empfindlichkeit der 5f-Elektronen des Urans gegenüber ihrer lokalen Umgebung, die den ionischen Charakter seiner Bindungen beeinflusst. Diese Entdeckung stellt bestehende Theorien über die Bindung von Actiniden in Frage und eröffnet neue Forschungsansätze in der Physik und Chemie der Actiniden“, sagt Silva.

Und neben ihrer grundsätzlichen Bedeutung sind die Arbeiten des Teams auch aus praktischer Sicht interessant, etwa sowohl für allgemeine Aspekte des Strahlenschutzes als auch für die Sicherheit von Endlagern für radioaktive Abfälle. Verbindungen des niedervalenten Urans zeichnen sich vor allem durch ihre geringe Löslichkeit aus, was ihre Mobilität in der Umwelt verringert und zur Eindämmung von Kontaminationen beiträgt.

Die Auswirkungen dieser Forschung könnten sogar über diesen Punkt hinaus weitreichend sein. Indem wir unser Verständnis von niedervalenten Uransystemen erweitern, können Wissenschaftler nun theoretische Modelle verbessern, die das Verhalten solch komplexer Elemente vorhersagen.

Diese Erkenntnisse werden künftige Forschungen in verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen unterstützen und möglicherweise zu neuen Entwicklungen in Bereichen von der Nuklearwissenschaft bis zur Umweltchemie führen.