Studie zeigt, dass Flerovium das flüchtigste Metall im Periodensystem ist

Ein internationales Forscherteam hat an den Beschleunigeranlagen des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt neue Erkenntnisse über die chemischen Eigenschaften des superschweren Elements Flerovium – Element 114 – gewonnen. Die Messungen zeigen, dass Flerovium das flüchtigste Metall im Periodensystem ist. Flerovium ist damit das schwerste chemisch untersuchte Element im Periodensystem.

Mit den Ergebnissen, veröffentlicht in der Zeitschrift Grenzen in der Chemieträgt GSI zur Erforschung der Chemie superschwerer Elemente bei und eröffnet neue Perspektiven für die derzeit im Aufbau befindliche internationale Einrichtung FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research).

Unter Leitung von Gruppen aus Darmstadt und Mainz wurden die beiden derzeit bekannten langlebigsten Flerovium-Isotope, Flerovium-288 und Flerovium-289, mit den Beschleunigeranlagen bei GSI/FAIR hergestellt und am Versuchsaufbau TASCA chemisch untersucht. Flerovium steht im Periodensystem unterhalb des Schwermetalls Blei.

Frühe Vorhersagen hatten jedoch postuliert, dass relativistische Effekte der hohen Ladung im Kern des superschweren Elements auf seine Valenzelektronen zu einem edelgasähnlichen Verhalten führen würden, während neuere eher ein schwach metallisches Verhalten vermuten ließen. Zwei zuvor durchgeführte Chemieexperimente, eines davon 2009 bei GSI in Darmstadt, führten zu widersprüchlichen Interpretationen.

Während die im ersten Experiment beobachteten drei Atome verwendet wurden, um auf ein edelgasähnliches Verhalten zu schließen, deuteten die bei GSI erhaltenen Daten auf metallischen Charakter basierend auf zwei Atomen hin. Die beiden Experimente konnten den Charakter nicht eindeutig feststellen. Die neuen Ergebnisse zeigen, dass Flerovium erwartungsgemäß inert ist, aber unter geeigneten Bedingungen stärkere chemische Bindungen eingehen kann als Edelgase. Flerovium ist folglich das flüchtigste Metall im Periodensystem.

Flerovium ist damit das schwerste chemische Element, dessen Charakter experimentell untersucht wurde. Mit der Bestimmung der chemischen Eigenschaften bestätigen GSI/FAIR ihre führende Position in der Erforschung superschwerer Elemente.

„Die Erforschung der Grenzen des Periodensystems war von Anfang an eine Säule des Forschungsprogramms bei GSI und wird es auch in Zukunft bei FAIR sein. Dass bereits mit wenigen Atomen erste grundlegende chemische Eigenschaften erforscht werden können, ergibt sich ein Hinweis darauf, wie sich größere Mengen dieser Substanzen verhalten würden, ist faszinierend und dank der leistungsstarken Beschleunigeranlage und der Expertise der weltweiten Zusammenarbeit möglich“, sagt Professor Paolo Giubellino, wissenschaftlicher Geschäftsführer von GSI und FAIR. „Mit FAIR holen wir das Universum ins Labor und erforschen die Grenzen der Materie, auch der chemischen Elemente.“

Sechs Wochen experimentieren

Die bei GSI/FAIR durchgeführten Experimente zur Klärung der chemischen Natur von Flerovium dauerten insgesamt sechs Wochen. Dazu wurden vier Billionen Calcium-48-Ionen pro Sekunde vom GSI-Linearbeschleuniger UNILAC auf zehn Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und auf ein Target mit Plutonium-244 geschossen, wodurch sich pro Tag einige Flerovium-Atome bildeten.

Die gebildeten Flerovium-Atome prallten vom Target in den gasgefüllten Separator TASCA zurück. In seinem Magnetfeld wurden die gebildeten Isotope Flerovium-288 und Flerovium-289, die eine Lebensdauer in der Größenordnung von einer Sekunde haben, vom intensiven Kalziumionenstrahl und von Nebenprodukten der Kernreaktion getrennt. Sie durchdrangen einen dünnen Film und gelangten so in den Chemieapparat, wo sie in einem Helium/Argon-Gasgemisch gestoppt wurden.

Dieses Gasgemisch spülte die Atome in den COMPACT-Gaschromatographen, wo sie erstmals mit Siliziumoxid-Oberflächen in Kontakt kamen. War die Bindung an Siliziumoxid zu schwach, wurden die Atome weitertransportiert, über Goldoberflächen – zunächst auf Raumtemperatur, dann über immer kältere bis auf etwa –160 °C.

Die Oberflächen wurden als dünne Beschichtung auf speziellen Kernstrahlungsdetektoren abgeschieden, die einzelne Atome durch ortsaufgelöste Detektion des radioaktiven Zerfalls registrierten. Da die Zerfallsprodukte nach kurzer Lebensdauer einem weiteren radioaktiven Zerfall unterliegen, hinterlässt jedes Atom eine charakteristische Signatur mehrerer Ereignisse, aus denen eindeutig auf das Vorhandensein eines Flerovium-Atoms geschlossen werden kann.

Ein Atom pro Woche für Chemie

„Durch die Kombination des TASCA-Separators, der chemischen Trennung und der Detektion der radioaktiven Zerfälle sowie der technischen Weiterentwicklung der Gaschromatographie-Apparatur seit dem ersten Experiment ist es uns gelungen, die Effizienz zu steigern und den Zeitaufwand zu reduzieren die chemische Trennung so weit, dass wir jede Woche ein Flerovium-Atom beobachten konnten“, erklärt Dr. Alexander Yakushev von GSI/FAIR, Sprecher der internationalen Experimentkollaboration.

Bei der Datenanalyse wurden sechs solcher Zerfallsketten gefunden. Da der Aufbau dem des ersten GSI-Experiments ähnelt, konnten die neu gewonnenen Daten mit den beiden damals beobachteten Atomen kombiniert und gemeinsam analysiert werden.

Keine der Zerfallsketten erschien im Bereich des mit Siliziumoxid beschichteten Detektors, was darauf hinweist, dass Flerovium keine wesentliche Bindung mit Siliziumoxid eingeht. Stattdessen wurden alle innerhalb von weniger als einer Zehntelsekunde mit dem Gas in den goldbeschichteten Teil der Apparatur transportiert.

Die acht Ereignisse bildeten zwei Zonen: eine erste im Bereich der Goldoberfläche bei Raumtemperatur und eine zweite im späteren Teil des Chromatographen bei so niedrigen Temperaturen, dass eine hauchdünne Eisschicht das Gold bedeckte, sodass eine Adsorption stattfand auf Eis.

Aus Experimenten mit Blei-, Quecksilber- und Radonatomen, die als Vertreter von Schwermetallen, reaktionsschwachen Metallen sowie Edelgasen dienten, war bekannt, dass Blei eine starke Bindung mit Siliziumoxid eingeht, während Quecksilber den Golddetektor erreicht. Radon überfliegt sogar bei Raumtemperatur den ersten Teil des Golddetektors und wird bei den niedrigsten Temperaturen nur teilweise zurückgehalten. Flerovium-Ergebnisse konnten mit diesem Verhalten verglichen werden.

Anscheinend wurden zwei Arten der Wechselwirkung einer Flerovium-Spezies mit der Goldoberfläche beobachtet. Die Abscheidung auf Gold bei Raumtemperatur weist auf die Bildung einer relativ starken chemischen Bindung hin, die in Edelgasen nicht auftritt. Andererseits scheinen einige der Atome nie die Gelegenheit gehabt zu haben, solche Bindungen einzugehen, und über weite Strecken der Goldoberfläche bis hinunter zu den niedrigsten Temperaturen transportiert worden zu sein.

Dieser Detektorbereich stellt eine Falle für alle elementaren Spezies dar. Dieses komplizierte Verhalten lässt sich durch die Morphologie der Goldoberfläche erklären: Sie besteht aus kleinen Goldclustern, an deren Grenzen sehr reaktive Stellen auftreten, die offenbar eine Bindung des Fleroviums ermöglichen. Die Tatsache, dass einige der Flerovium-Atome die kalte Region erreichen konnten, deutet darauf hin, dass nur die Atome, die auf solche Stellen trafen, eine Bindung eingingen, im Gegensatz zu Quecksilber, die auf Gold ohnehin erhalten blieb.

Daher ist die chemische Reaktivität von Flerovium schwächer als die des flüchtigen Metalls Quecksilber. Die aktuellen Daten können nicht vollständig ausschließen, dass die erste Abscheidungszone auf Gold bei Raumtemperatur auf die Bildung von Fleroviummolekülen zurückzuführen ist. Aus dieser Hypothese folgt aber auch, dass Flerovium chemisch reaktiver ist als ein Edelgaselement.

Das exotische Plutonium-Targetmaterial für die Produktion des Fleroviums wurde teilweise vom Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), USA, bereitgestellt. Am Standort TRIGA des Fachbereichs Chemie der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) wurde das Material elektrolytisch auf bei GSI/FAIR hergestellte dünne Titanfolien abgeschieden.

„Es ist nicht viel von diesem Material auf der Welt verfügbar, und wir haben das Glück, es für diese Experimente verwenden zu können, die sonst nicht möglich wären“, sagte Dr. Dawn Shaughnessy, Leiterin der Abteilung für Nuklear- und Chemiewissenschaften bei LLNL. „Diese internationale Zusammenarbeit bringt Fähigkeiten und Fachwissen aus der ganzen Welt zusammen, um schwierige wissenschaftliche Probleme zu lösen und seit langem bestehende Fragen wie die chemischen Eigenschaften von Flerovium zu beantworten.“

„Ergänzt wurde unser Beschleunigerexperiment durch eine detaillierte Untersuchung der Detektoroberfläche in Zusammenarbeit mit mehreren GSI-Fachbereichen sowie dem Fachbereich Chemie und dem Institut für Physik der JGU. Dies hat sich als Schlüssel zum Verständnis des chemischen Charakters von Flerovium erwiesen Dadurch sind die Daten der beiden früheren Experimente jetzt nachvollziehbar und mit unseren neuen Schlussfolgerungen vereinbar“, sagt Christoph Düllmann, Professor für Kernchemie an der JGU und Leiter der Forschungsgruppen an der GSI und am Helmholtz-Institut Mainz (HIM), a Zusammenarbeit zwischen GSI und JGU.

Wie sich die relativistischen Effekte auf seine Nachbarn, die ebenfalls erst in den letzten Jahren offiziell anerkannten Elemente Nihonium (Element 113) und Moscovium (Element 115), auswirken, ist Gegenstand nachfolgender Experimente. Erste Daten wurden bereits im Rahmen des FAIR-Phase-0-Programms bei GSI gewonnen. Außerdem erwarten die Forscher, dass deutlich stabilere Isotope von Flerovium existieren, die bisher aber nicht gefunden wurden. Allerdings wissen die Forscher jetzt schon, dass sie damit rechnen können, ein metallisches Element zu finden.

Bereitgestellt von der GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH