La synthèse et l’étude des composés radioactifs sont naturellement difficiles en raison de l’extrême toxicité des matériaux impliqués, mais aussi en raison du coût et de la rareté des isotopes de recherche.
Maintenant, les scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) et leurs collaborateurs de l’Oregon State University (OSU) ont développé une nouvelle méthode pour isoler et étudier en détail certains des éléments les plus rares et les plus toxiques sur Terre. La recherche apparaît dans Chimie naturelle.
Les méthodes de synthèse traditionnelles et les études chimiques se concentrent sur de petits complexes inorganiques ou organiques de l’isotope étudié et nécessitent généralement plusieurs milligrammes d’échantillon par tentative. Les quantités en milligrammes peuvent sembler minimes, mais pour certains isotopes, cela équivaut à l’approvisionnement mondial annuel. Certains radio-isotopes sont également trop coûteux, ont une durée de vie trop courte ou sont trop toxiques pour être étudiés avec les méthodes actuelles, ce qui les rend hors de portée des études chimiques détaillées.
Dans la nouvelle recherche, l’équipe a démontré qu’en tirant parti des propriétés chimiques fondamentales, telles que le poids moléculaire et la solubilité, il est possible de synthétiser des composés de coordination d’éléments rares/toxiques/radioactifs/précieux et de les caractériser en détail, tout en utilisant de très petites quantités. , jusqu’à l’échelle du microgramme. La nouvelle méthode nécessite plus de 1 000 fois moins de matériel que les approches de pointe antérieures, ce qui représente un outil révolutionnaire pour faire progresser les connaissances sur les éléments les plus difficiles à étudier sur Terre.
L’approche nouvellement proposée pourrait être utilisée pour découvrir et étudier de nombreux nouveaux composés contenant des isotopes rares, tels que les actinides et les radiolanthanides, permettant aux scientifiques de démêler les tendances de liaison et éventuellement les tendances isotopiques dans le tableau périodique. Il offre également une voie viable pour isoler des composés et étudier la chimie d’éléments restés inaccessibles avec les méthodes précédentes, tels que l’actinium, les éléments transcalifornium et plus encore.
« La simplicité, l’efficacité et la modularité de la méthode nouvellement proposée sont étonnantes, et elle diminue considérablement l’exposition aux rayonnements des travailleurs, préserve les ressources isotopiques du pays et réduit considérablement les coûts », a déclaré Gauthier Deblonde, scientifique du LLNL et chef de projet.
La méthode implique des ligands polyoxométalates lourds (POM) et permet la formation simple, la cristallisation, la manipulation et la caractérisation spectroscopique et structurelle détaillée de complexes contenant des isotopes rares à partir de seulement 1 à 10 microgrammes. Plusieurs nouvelles structures monocristallines de diffraction des rayons X ont été découvertes, dont trois nouveaux composés de curium. Pour le contexte, les isotopes du curium ne sont pas seulement radiotoxiques, mais ils sont aussi rares et extrêmement coûteux, à un point où seulement 10 complexes de curium avaient été isolés et caractérisés par diffraction des rayons X sur monocristal depuis la découverte de cet élément en 1944. Le nouveau Cette approche a également donné la toute première mesure expérimentale du rayon ionique de coordonnée 8 de l’ion Cm3+.
« La nature même des matériaux impliqués dans cette recherche a ses nombreuses limites, mais la nouvelle méthode les surmonte. Assez pour que nous puissions commencer à comprendre leur chimie et apprécier leur beauté », a déclaré Ian Colliard, premier auteur de la publication et OSU. doctorat candidat au moment de l’étude (maintenant chercheur postdoctoral au LLNL).
L’étude a également révélé que les POM ont des propriétés très intéressantes par rapport aux molécules classiques. Par exemple, l’équipe s’est rendu compte que la plupart des POM rendaient les ions curium (c’est-à-dire Cm3+) hautement luminescents, offrant un moyen potentiel de les détecter même à de très faibles concentrations. Les différents complexes curium-POM testés présentent une forte émission de fluorescence, aussi bien à l’état solide qu’à l’état de solution. Les POM forment également des complexes hautement luminescents avec de nombreux autres éléments tels que l’europium, le terbium, le dysprosium et le samarium, offrant un moyen pratique d’étudier leur chimie.
« L’équipe continue d’appliquer notre nouvelle approche basée sur le POM pour débloquer l’étude de nombreux nouveaux composés d’actinides et de matériaux isotopiques rares, avec plus de succès déjà en cours », a déclaré Deblonde.
Gauthier Deblonde, Les polyoxométalates comme ligands pour synthétiser, isoler et caractériser des composés d’isotopes rares à l’échelle du microgramme, Chimie naturelle (2022). DOI : 10.1038/s41557-022-01018-8. www.nature.com/articles/s41557-022-01018-8