Les actinides lourds – des éléments au bas du tableau périodique, après le plutonium – sont radioactifs, rares et chimiquement complexes, ce qui les rend notoirement difficiles à étudier. La plupart des études menées sur ces éléments ont été traditionnellement réalisées à une seule composition ou extrapolée à partir de substituts moins toxiques et non radioactifs, comme les lanthanides, qui sont plus sûrs à travailler. En tant que tel, on sait relativement peu de choses sur les propriétés chimiques des actinides lourds.
Les chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) permettent les barrières de ce domaine avec une « approche série » rationalisée et efficace pour la synthèse et l'analyse des composés d'actinide lourds.
Une nouvelle étude publiée dans le Journal de l'American Chemical Society révèle que les actinides aréciques et le curium ont des propriétés chimiques vraiment uniques, en quittant le consensus historique selon lequel certains actinides et lanthanides présentent la même chimie.
Selon les auteurs, les scientifiques du LLNL Ian Colliard et Gauthier Deblonde, il s'agit probablement du plus grand ensemble de données cristallographiques et spectroscopiques jamais publiés sur des composés en amerium et en curium.
« Notre approche permet la synthèse, la cristallisation et l'analyse structurelle et spectroscopique détaillée des composés contenant de l'Amérique et du curium, deux des éléments les plus rares et les plus difficiles à étudier », a déclaré Colliard. « Grâce aux ressources de Livermore, nous pouvons désormais faire de la chimie en série sur des éléments comme ceux-ci – ce qui n'était tout simplement pas possible auparavant. »
Deblonde et Colliard ont synthétisé et caractérisé les complexes de coordination de l'Americium et du Curium, aux côtés de leurs analogues de lanthanure respectifs, du néodyme et de l'Europium.
Ici, un complexe de coordination fait référence à un type de composé chimique où les atomes de l'amérique ou du curium sont entourés de ligands polyoxométalates (POM) – grappes stables de métal et d'oxygène. Ces ligands s'enroulent autour des atomes américains ou de curium, créant un complexe stable qui peut être étudié en détail.
La création d'un complexe POM est la première étape pour découvrir un nouveau composé. Pour leur étude, les chercheurs ont étudié les propriétés de luminescence de 25 complexes curium-pom dans des solutions aqueuses, représentant un ensemble de données expérimental significatif pour le domaine. Sur ces 25 complexes, sept composés de curium ont été isolés avec succès sous forme de monocristaux et caractérisés structurellement, marquant des contributions distinctes à l'étude de la chimie de la coordination des actinides.
Comparé aux études précédentes qui nécessitaient de 500 à 5 000 microgrammes d'un élément lourd rare pour produire un seul composé, en utilisant des POMS, les chercheurs réduisent considérablement la quantité requise à seulement 1 à 10 microgrammes par réaction. Dans la présente étude, cette innovation a permis la synthèse efficace de l'Américuque et du curium, mais elle pourrait également être appliquée à de nombreux autres éléments lourds dans les recherches futures.
Avec l'ensemble de données nouvellement publié, environ 45% des composés curiums qui ont été structurellement caractérisés à ce jour sont le résultat de la recherche effectuée à LLNL.
« Maintenant, nous pouvons obtenir plus de données tout en utilisant beaucoup moins des précieuses isotopes de recherche produites par le ministère de l'Énergie. « Nous pouvons également former des étudiants et la prochaine génération de radiochimistes sur des éléments qui sont traditionnellement interdits. »
Pour étudier et caractériser les propriétés structurelles, vibrationnelles et optiques des composés, Colliard et Deblonde ont utilisé une combinaison de techniques analytiques. La spectroscopie à l'état solide a révélé des interactions vibratoires rarement observées entre les atomes dans les complexes de curium, indiquant le potentiel de nouvelles voies émissives (émettant de la lumière).
Ces voies sont essentielles pour faire progresser la compréhension des phénomènes de luminescence et les propriétés des électrons qui orbitent des éléments lourds à proximité de la vitesse de la lumière.
Ces résultats remettent en question l'hypothèse de la similitude actinide-blanthanide, révélant que même s'ils partagent certains traits, des actinides comme l'amérique et le curium présentent des comportements chimiques uniques qui ne peuvent pas être entièrement prédits en étudiant les lanthanides. Les propriétés chimiques et physiques distinctes des actinides étaient évidentes dans la nouvelle série de composés.
Ensuite, les chercheurs sont impatients d'appliquer leur « approche série » à d'autres éléments rares qui se trouvent dans les applications nucléaires, explorant davantage les propriétés uniques des éléments au bord du tableau périodique.
