Dank einer neuen, von Forschern des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) entwickelten Technik können molekulare Verbindungen mit schweren Elementen wie Americium, Curium und anderen jetzt auf rationalisierte und effiziente Weise synthetisiert werden.
Der neue Ansatz kann Wissenschaftlern dabei helfen, Serienchemie mit radioaktiven Elementen durchzuführen und könnte dazu verwendet werden, Forschung und Entwicklung für die Entsorgung nuklearer Abfälle und Radiopharmaka zu beschleunigen. In zwei Artikeln in Chemische Kommunikation und das JACS Aubeschreiben LLNL-Wissenschaftler, wie die neue Technik zu innovativen Methoden zur Trennung von Elementen und zur Untersuchung der Eigenschaften schwer zu untersuchender Radioisotope führen wird.
Die Arbeiten heben die Entstehung einer großen Reihe neuer Verbindungen hervor (20 neue Kristallstrukturen), darunter die erste dreiwertige Americium-Polyoxometallat-Verbindung und zwei neue Verbindungen mit Curium. Curium ist ein schwer fassbares Element geblieben; seit seiner Entdeckung im Jahr 1944 bis 2020 wurden nur sieben Kristallstrukturen von Curium-Molekülverbindungen gemeldet. Wissenschaftler des LLNL haben in den letzten zwei Jahren fünf neue entdeckt.
„Wir verfügen über eine neue chemische Plattform, um Verbindungen herzustellen und zu untersuchen, die praktisch jedes Actinid enthalten“, sagte Ian Colliard, Postdoktorand am LLNL und Co-Autor der Arbeiten. „Wir verwenden tausendmal weniger Materialien (Mikrogramm statt Milligramm), sodass wir schneller vorgehen, viel mehr neue Verbindungen herstellen und das Energieministerium weniger kostet.“
Über schwere Actiniden (Elemente außer Plutonium) wissen Wissenschaftler weit weniger als über andere Elemente im Periodensystem, da sie extrem schwer herzustellen und sowohl radioaktiv als auch giftig sind. Während Wissenschaftler, die beispielsweise an traditionelleren Elementen (z. B. Eisen, Kupfer, Blei oder Gold) arbeiten, für ihre Experimente eine nahezu unbegrenzte Menge an Chemikalien von vielen Anbietern kaufen können, können Actinidenchemiker von Elementen wie Curium, Americium und anderen nur wenige Milligramm pro Jahr oder weniger erhalten.
Die Ausgangsstoffe sind sehr begrenzt und daher sehr teuer (normalerweise mehr als 50.000 Dollar für ein paar Milligramm Curium). Diese Stoffe unterliegen zudem behördlichen Genehmigungen, da es sich um Kernmaterial handelt und der Abfall aus den Experimenten ordnungsgemäß entsorgt werden muss.
„Mithilfe dieser neuen chemischen Plattform können wir tiefer in die Details der Aktinidenchemie eintauchen und Dinge sehen, die mit früheren chemischen Systemen und früheren synthetischen Strategien nicht zugänglich waren“, sagte Gauthier Deblonde, Wissenschaftler und Co-Autor am LLNL. „Die neuen Eigenschaften, die wir freisetzen, wie die Bildung von Aktiniden-spezifischen Verbindungen, werden Auswirkungen haben, die von chemischen Trennungen bis hin zu neuen radiopharmazeutischen Medikamenten und möglicherweise der Entsorgung von Atommüll reichen.“
Eine gängige Methode in der Actinidenchemie bestand darin, einfach Experimente mit Lanthaniden-Surrogaten durchzuführen, also den nicht radioaktiven Elementen, die im Periodensystem direkt über den Actinoiden stehen, und davon auszugehen, dass sich Actinoide gleich verhalten würden. Bislang gab es auch kein gutes System, um die chemischen Strukturen von Actiniden- und Lanthanidenverbindungen zu vergleichen, weil die Experimente nicht auf die gleiche Weise durchgeführt werden konnten oder die verwendeten Moleküle nicht zu Verbindungen führten, die man eins zu eins vergleichen konnte.
Die neue Forschung bietet ein innovatives und vielseitiges chemisches System, in dem das Team Verbindungen mit Americium und Curium (Actinoide) sowie die vollständige Reihe der Lanthanoide (Lanthan bis Lutetium) synthetisierte und charakterisierte.
„Wir haben eine vollständige und konsistente Reihe von Verbindungen erhalten, sodass wir die wahren Auswirkungen der Chemie der Actiniden gegenüber den Lanthaniden aufdecken konnten“, sagte Colliard. „In dieser Reihe von etwa 20 neuen Verbindungen haben wir beobachtet, dass alle Komplexe eine ähnliche Kurzstreckenorganisation aufweisen, die Fernstreckenorganisation jedoch sehr unterschiedlich ist. Das war wirklich unerwartet.“
Es stellte sich heraus, dass die Actiniden eigene – neue – Strukturen bilden, die bei den Lanthaniden nie beobachtet wurden.
„Wir liefern eine Reihe eindeutiger experimenteller Beweise dafür, dass die Chemie der Actiniden nicht allein auf der Grundlage der Chemie der Lanthaniden vorhergesagt werden kann“, sagte Deblonde. „Die Ergebnisse zeigen auch einen klaren grundlegenden Unterschied zwischen Actiniden- und Lanthanidenelementen, was zu neuen Entwicklungen in der Chemie schwerer Elemente führen wird, selbst der seltensten wie Actinium und Trans-Curium-Elemente.“
Mehr Informationen:
Ian Colliard et al, Polyoxometallat-Liganden zeigen unterschiedliche Koordinationschemie bei Lanthaniden und schweren Actiniden, JACS Au (2024). DOI: 10.1021/jacsau.4c00245
Ian Colliard et al., Charakterisierung des ersten Peacock-Weakley-Polyoxometallats, das ein Transplutoniumelement enthält: Curiumbispentawolframat [Cm(W5O18)2]9−, Chemische Kommunikation (2024). DOI: 10.1039/D4CC01381F