Die Untersuchung radioaktiver Materialien ist aufgrund der potenziellen Gesundheitsrisiken, die sie für Wissenschaftler darstellen, sehr schwierig. Auch die Kosten stellen ein großes Hindernis dar, da einige Radioisotope mehr als 10.000 US-Dollar pro Mikrogramm (oder 10 Milliarden US-Dollar pro Gramm) kosten. Einige Radioisotope können nicht in ausreichenden Mengen hergestellt werden, was es schwierig macht, sie mit aktuellen Techniken im Detail zu untersuchen. Wissenschaftler haben kürzlich einen neuen Ansatz entwickelt, um detaillierte chemische Informationen über radioaktive und/oder angereicherte stabile Isotope zu gewinnen. Der neue Ansatz ist wesentlich effizienter und erfordert 1.000 Mal weniger Material als bisherige Methoden auf dem neuesten Stand der Technik. Es bietet diese Effizienz ohne Verlust der Datenqualität.
Ein Artikel, der diesen Ansatz beschreibt, ist in der Zeitschrift veröffentlicht Anorganische Chemie.
Die neue Methode nutzt Polyoxometallatliganden (POMs, also molekulare Metalloxidkäfige), eine Molekülklasse, die bisher für radiochemische Anwendungen weitgehend übersehen wurde. Die intrinsischen Eigenschaften der POMs ermöglichen es Wissenschaftlern, auf einfache Weise Verbindungen zu bilden, bei denen die POMs chemische Bindungen mit den gewünschten Radioisotopen eingehen, diese Verbindungen dann zu kristallisieren und sie dann mit einer Vielzahl spektroskopischer Techniken zu untersuchen, wobei im Vergleich zu mehreren nur wenige Mikrogramm Material verwendet werden Milligramm oder mehr für frühere Methoden.
In ihren Demonstrationen synthetisierten Wissenschaftler des Lawrence Livermore National Laboratory und der Oregon State University drei neue Curiumverbindungen und bestimmten ihre detaillierten Strukturen mittels Einkristall-Röntgenbeugung (SCXRD) sowie elektronische, magnetische und Schwingungseigenschaften mittels Raman, Absorption, Fluoreszenz und Kernspinresonanzspektroskopie. Äquivalente Verbindungen erhielten die Forscher auch mit Americium. Curiumisotope sind nicht nur radiotoxisch, sondern auch selten und kostspielig in der Herstellung. Infolgedessen wurden seit der Entdeckung dieses Elements im Jahr 1944 nur etwa 10 Curium-Ligand-Verbindungen isoliert und mithilfe von SCXRD charakterisiert.
Mit der neu vorgeschlagenen Methode können Wissenschaftler die chemischen Eigenschaften seltener und radioaktiver Elemente wie nie zuvor untersuchen. Die neue Forschung ist besonders wichtig, um die Chemie der Aktiniden zu untersuchen. Dies sind die Elemente, die am Ende des Periodensystems stehen, wie Actinium, Americium und Curium. Die meisten Aktiniden können in bestimmten Anlagen wie dem Hochflussisotopenreaktor des Energieministeriums nur in winzigen Mengen hergestellt werden. Wissenschaftler wissen relativ wenig über die Chemie dieser Elemente. Wenn wir mehr über sie erfahren, können Bereiche von der Krebsmedizin über die Kernenergie bis hin zur Synthese neuer Elemente von Nutzen sein.
Die neue POM-basierte Methode wird dazu beitragen, die Aktinidchemie zu erweitern und gleichzeitig die aktuellen Kosten- und geringen Verfügbarkeitsbeschränkungen für Forschungsisotope einzuhalten. Wissenschaftler könnten diese Strategie auch anwenden, um eine neue Perspektive auf die Chemie einiger der seltensten und giftigsten Elemente auf der Erde zu eröffnen, die mit bisherigen Methoden nicht untersucht werden konnten.
Mehr Informationen:
Christopher A. Colla et al., Contrasting Trivalent Lanthanide and Actinide Complexation by Polyoxometalates via Solution-State NMR, Anorganische Chemie (2022). DOI: 10.1021/acs.inorgchem.2c04014