De la combustion du bois à l’action des médicaments, les propriétés et le comportement de la matière sont régis par la manière dont les éléments chimiques se lient entre eux. Pour bon nombre des 118 éléments connus, les structures électroniques complexes des atomes responsables de la liaison chimique sont bien comprises. Mais pour les éléments super-lourds situés à l’extrême limite du tableau périodique, mesurer ne serait-ce qu’une seule propriété de ces espèces exotiques constitue un défi majeur.
Dans un nouvel article publié dans Communications naturellesune équipe de chercheurs travaillant à l'installation ISOLDE du CERN présente une nouvelle technique qui pourrait aider à découvrir la chimie des éléments (super) lourds et qui aurait des applications potentielles dans la recherche en physique fondamentale et les traitements médicaux.
Les éléments superlourds sont très instables et ne peuvent être produits dans des laboratoires d’accélérateurs qu’en quantités infimes. C’est pourquoi les chercheurs ont tendance à perfectionner d’abord leurs techniques sur des éléments stables et plus légers.
L'équipe d'ISOLDE a développé une nouvelle méthode basée sur le piégeage des ions pour mesurer avec précision l'affinité électronique du chlore, employant beaucoup moins d'atomes que n'importe quelle expérience précédente et ouvrant ainsi la porte à la mesure de cette propriété dans les éléments super-lourds.
L'affinité électronique est l'énergie libérée lorsqu'un électron est ajouté à un atome neutre pour former un ion négatif, ou « anion ». C’est l’une des propriétés les plus fondamentales d’un élément, déterminant la manière dont il forme des liaisons chimiques.
Les mesures conventionnelles d'affinité électronique impliquent l'envoi d'anions de l'élément étudié via le trajet d'un faisceau laser. La fréquence du laser est ensuite réglée pour trouver l'énergie exacte des photons au-dessus de laquelle l'électron supplémentaire de l'anion est éliminé, ce qui correspond à l'affinité électronique de l'atome neutre. Cependant, pour les éléments (super)lourds instables, qui sont produits à raison de quelques anions par seconde ou moins, ce simple passage des anions à travers le faisceau laser est insuffisant pour mesurer l'affinité électronique.
Pour surmonter cette limitation, l'équipe ISOLDE a piégé des anions de chlore dans son appareil de réflexion multi-ion pour la spectroscopie laser colinéaire (MIRACLS). Dans ce piège, les anions de chlore sont réfléchis plusieurs fois entre deux miroirs électrostatiques comme une balle de ping-pong, permettant au faisceau laser de sonder les anions à chaque passage.
« Malgré l'utilisation de cent mille fois moins d'anions chlore, notre nouvelle méthode MIRACLS mesure l'affinité électronique avec une précision comparable à celle des techniques conventionnelles, dans lesquelles les anions traversent le faisceau laser une seule fois, contre environ 60 000 fois dans notre expérience », explique l'auteur principal de l'étude, Franziska Maier. « Notre approche utilise essentiellement les miroirs du piège pour « recycler » les anions, ouvrant ainsi la voie à des mesures d'affinité électronique dans les éléments super-lourds. »
Erich Leistenschneider, le deuxième auteur principal de l'étude, ajoute que les propriétés des éléments super-lourds pourraient brouiller les limites du tableau périodique. « À mesure que le nombre de protons augmente, la relativité d'Einstein brouille la structure des atomes.
« Pour cette raison, on peut spéculer si les frontières entre les groupes d'éléments dans le tableau périodique pourraient s'estomper et si la chimie des éléments super-lourds pourrait s'écarter des tendances périodiques » normales « . L'affinité électronique est l'une des propriétés qui sera largement affectée par ces effets, et nos mesures les sonderont. «
En plus d’ouvrir la voie à des mesures des affinités électroniques insaisissables des éléments super-lourds, l’approche MIRACLS pourrait être appliquée à des éléments rares sur Terre, notamment l’actinium, qui, comme l’astatine, est un candidat prometteur pour la création de composés chimiques destinés au traitement du cancer. Il pourrait également être utilisé pour mesurer les affinités électroniques des molécules, fournissant ainsi des données pour des calculs théoriques prédisant leur structure électronique. De tels calculs sont nécessaires à la recherche sur l'antimatière et les molécules radioactives, qui suscitent de plus en plus d'attention en tant que sondes des symétries fondamentales de la nature.
