Le tableau périodique est l'un des triomphes de la science. Même avant que certains éléments aient été découverts, ce graphique pourrait prédire avec succès leurs masses, leurs densités, comment ils se lieraient avec d'autres éléments et une foule d'autres propriétés.
Mais au bas du tableau périodique, où des atomes massifs éclatent pratiquement aux coutures de protons, son pouvoir prédictif pourrait commencer à se décomposer. Des expériences pour étudier la chimie des éléments les plus lourds – en particulier les éléments super-récepteurs, qui ont plus de 103 protons – ont longtemps été un défi.
Malgré l'utilisation d'installations spécialisées, les chercheurs n'ont pas été en mesure d'identifier définitivement les espèces moléculaires qu'ils produisent dans des expériences. Cette incertitude a entravé les progrès dans le domaine, car les scientifiques ont dû s'appuyer sur des suppositions éduquées plutôt qu'une connaissance précise de la chimie observée.
Désormais, les chercheurs ont utilisé le cyclotron de 88 pouces au Laboratoire national de Lawrence Berkeley du ministère de l'Énergie (Berkeley Lab) pour développer une nouvelle technique pour fabriquer et détecter directement des molécules contenant des éléments lourds et surchauffés.
Dans une étude publiée aujourd'hui dans la revue Natureune équipe de chercheurs de Berkeley Lab, UC Berkeley et de l'Université de l'Alabama ont utilisé la méthode pour créer des molécules contenant Nobelium, élément 102. C'est la première fois que les scientifiques mesurent directement une molécule contenant un élément supérieur à 99.
« Ce qui est vraiment excitant, c'est que cela ouvre la porte à la prochaine génération d'études de chimie atomique à temps – alors en regardant la chimie des éléments de super-héros et demandant s'ils sont ou non dans les positions correctes sur le tableau périodique », a déclaré Jennifer Pore, scientifique de Berkeley Lab et auteur principal du journal. « Je pense que nous allons changer complètement la façon dont la chimie des éléments de super-héros est terminée. »
La configuration de l'équipe a également produit des molécules contenant de l'actinium, élément 89. Cela les a permis d'étudier simultanément les extrêmes de la série Actinide, le groupe sur le tableau périodique qui s'étend sur les éléments 89 à 103. Les chercheurs ont enregistré la fréquence à laquelle actinium et nobélium liés à une ou plusieurs molécules aquatiques ou azogenes, fournissant de nouvelles informations sur la façon dont les actinides interagissent dans la même expérience.
« C'était la première fois que quiconque faisait une comparaison directe d'un actinide précoce à un élément d'actinide tardif », a déclaré Pore. « Nous n'avons été surpris par aucun des résultats de la chimie – ils correspondent à ce qui est logique pour la tendance. Mais le fait que nous puissions voir la chimie de ces choses que nous produisons un atome à la fois, et observer directement les espèces moléculaires, était vraiment excitante. »
Ce qui a été une surprise pour les chercheurs, c'est à quel point ils ont fait les molécules Nobelium en premier lieu.
Molécules inattendues
Le plan d'origine pour l'expérience s'est déroulé comme ceci: le cyclotron de 88 pouces accélérerait un faisceau d'isotopes de calcium dans une cible de thulium et de plomb, produisant un spray de particules qui comprenait les actinides d'intérêt. Le séparateur de gaz de Berkeley effacerait les particules supplémentaires, n'envoyant que l'actinium et le nobélium à un receveur de gaz en forme de cône. En sortant de cet entonnoir à des vitesses supersoniques, le gaz se développerait, interagissant avec un autre jet de gaz réactif pour créer des molécules. Les électrodes accéléreraient alors ces molécules en Fiona, un spectromètre de pointe qui pourrait mesurer leurs masses et déterminer exactement quelles molécules s'étaient formées.
Mais avant que les chercheurs aient eu la chance d'injecter leur gaz réactif, ils ont remarqué quelque chose d'inattendu: ils enregistraient déjà des molécules contenant du nobélium dans leur détecteur. L'azote errant et l'eau, présents en quantités minuscules au sein de Fiona, s'étaient combinées avec les atomes de nobélium.
« Nous avons supposé que nous ne ferions pas de molécules dans l'expérience avant que nous le voulions », a déclaré Jacklyn Gates, scientifique nucléaire au Berkeley Lab et co-auteur du journal. « Le fait que nous faisons est un point important, car aucune autre configuration de chimie atomique à la fois n'a de disponibilité d'identification des molécules, et ils ont toujours supposé qu'ils ne fabriquent pas de molécules. »
Les chercheurs pensaient auparavant que les processus rigoureux pour nettoyer le gaz dans leurs systèmes laisseraient une quantité insignifiante de molécules d'eau et d'azote derrière, et qu'il n'y aurait pas suffisamment d'énergie dans leurs réactions pour briser ces liaisons et réformer les molécules involontairement. Mais ce n'était pas le cas.
« Pour les types de molécules que nous fabriquons ici, vous n'avez pas à casser les liaisons. Les ions métalliques trouvent l'eau et ils restent ensemble pour former ces espèces moléculaires », a déclaré Pore. « Il y a des implications potentielles pour les études sur les éléments de super-héros, car nous avons fait beaucoup de molécules même avec notre configuration propre. Avec ce résultat, les chercheurs devront réfléchir plus attentivement à ce qu'ils font réellement dans leurs systèmes. »
La formation de molécules inattendue pourrait aider à expliquer les expériences contradictoires précédentes qui ont étudié si le flérovium, l'élément 114, se comporte comme un gaz noble (éléments qui ont tendance à ne pas interagir avec d'autres matériaux en raison de la façon dont leurs électrons sont disposés). Cette découverte peut également apporter un nouvel éclairage sur l'interprétation des études récentes sur les éléments 113 et 115, et informer toutes les futures études en phase gazeuse des éléments de super-héros.
Fabuleux fiona
Après la découverte inattendue des molécules de Nobelium, l'équipe de recherche s'est temporairement détournée de leur expérience originale. Ils ont exécuté leur configuration sans arrêt pendant 10 jours, collectant près de 2 000 molécules en actinium ou en nobelium. C'est une grande quantité selon les normes de chimie des éléments lourds, mais toujours un nombre incroyablement petit. À titre de comparaison, une goutte d'eau contient plus qu'un sexillion (c'est-à-dire 1 suivi de 21 zéros).
« C'est très différent de la chimie traditionnelle que la plupart des gens pensent, où vous avez des béchers avec beaucoup, beaucoup de liquide », a déclaré Pore. « Nous travaillons avec des quantités extrêmement petites de matériel, bien au-delà de ce que l'œil humain peut détecter. La capacité d'extraire des informations significatives de ces petits échantillons est un gros problème. Fiona est beaucoup plus rapide que tout ce qui a jamais été fait auparavant, et plus sensible. Ceci est important parce que tout ce que nous étudions est radioactif et n'existe que quelques secondes ou moins avant qu'il ne disparaisse. »
La sensibilité et la vitesse sont essentielles car les chercheurs se déplacent pour étudier la chimie des éléments plus lourds et plus lourds, qui deviennent de plus en plus difficiles à faire et plus rapidement à se décomposer à mesure qu'ils deviennent plus massifs. Alors que les techniques précédentes étaient limitées aux molécules qui vivaient pendant environ 1 seconde, la configuration expérimentale de l'équipe peut étudier celles qui ne survivent que pendant 0,1 seconde, et les expérimentateurs ont le contrôle de la durée des particules piégées à chaque étape du processus.
Des expériences précédentes ont mesuré les particules secondaires faites lorsqu'une molécule avec un élément super-révocateur a été décomposée, mais ils n'ont pas pu identifier les espèces chimiques originales exactes. La plupart des mesures ont rapporté une gamme de molécules possibles et étaient basées sur des hypothèses d'éléments mieux connus. La nouvelle approche est la première à identifier directement les molécules en mesurant leurs masses, en supprimant la nécessité de telles hypothèses.
« Fiona est vraiment la sauce secrète de la chimie, et Fiona n'a même pas été conçue pour faire de la chimie », a déclaré Gates. « Il a été conçu juste pour faire des mesures de masse, donc c'est comme une bousculade latérale amusante. Nous pouvons faire ces études de chimie avec très peu de modification du système, et nous avons cette capacité unique d'identifier les espèces moléculaires. Il y aura beaucoup de nouveaux résultats passionnants en utilisant cette technique. »
Les chercheurs prévoient d'utiliser leur approche avec plusieurs premiers éléments de super-héros, associant les atomes avec des gaz contenant du fluor et des hydrocarbures à chaîne courte pour révéler la chimie fondamentale au bas du tableau périodique.
Meilleurs modèles, meilleur médicament
Une meilleure compréhension des éléments lourds et super-révocateurs présente plusieurs avantages. Les expériences peuvent vérifier la chimie des éléments, en s'assurant qu'elles sont regroupées correctement sur le tableau périodique et améliorant son pouvoir prédictif. Dans le même temps, les chercheurs évaluent également les modèles de l'atome et les forces fondamentales en jeu.
Un comportement chimique étrange dans les éléments plus lourds résulte en partie des «effets relativistes». Le grand nombre de protons dans le noyau crée une charge intense qui tire sur les électrons intérieurs, les accélérant. Comme certains électrons sont aspirés vers le centre de l'atome, ils protègent certains électrons externes de la traction. Ces effets peuvent provoquer le comportement de la chimie d'un élément de manière inattendue. (La couleur de l'or, différente du gris de tant d'autres métaux, en est un exemple.)
« Les électrons se comportent très différemment dans les éléments où vous avez ces grands effets relativistes, et l'effet devrait être encore plus fort dans les éléments de super-héros », a déclaré Pore. « C'est pourquoi ils pourraient potentiellement être au bon endroit sur le tableau périodique. »
Il existe également des applications pratiques, en particulier dans l'amélioration des isotopes radioactifs utilisés dans le traitement médical. L'un d'un grand intérêt est un isotope de l'actinium (actinium-225), qui a montré des résultats prometteurs dans le traitement de certains cancers métastatiques. Cependant, l'isotope est difficile à fabriquer et uniquement disponible en petites quantités chaque année, ce qui limite l'accès aux essais cliniques et au traitement. Les scientifiques commencent à peine à comprendre sa chimie.
« Les gens ont été contraints de sauter l'étape de chimie fondamentale pour comprendre comment les mettre en patients », a déclaré Pore. « Mais si nous pouvions mieux comprendre la chimie de ces éléments radioactifs, nous pourrions avoir plus de facilité à produire les molécules spécifiques nécessaires au traitement du cancer. »
