Scoperte ai confini della tavola periodica: prime misurazioni in assoluto dell’einsteinio
Gli esperimenti su questo elemento altamente radioattivo rivelano alcune proprietà inaspettate
[5 Febbraio 2021]
L’elemento 99 – l’einsteinio – è stato scoperto nel 1952 dal Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Department of energy Usa (DOE) dai detriti della prima bomba all’idrogeno, ma da allora gli scienziati hanno eseguito pochissimi esperimenti con l’einsteinio perché è molto difficile da creare ed è eccezionalmente radioattivo.
Ora un team di chimici del Berkeley Lab, del Los Alamos National Laboratory e della Georgetown University ha superato questi ostacoli e ha pubblicato su Nature lo studio “Structural and Spectroscopic Characterization of an Einsteinium Complex” che caratterizza alcune delle proprietà dell’einsteinio, «Aprendo la porta a una migliore comprensione dei restanti elementi transuranici della serie degli attinidi».
Con meno di 250 nanogrammi dell’elemento, il team di scienziati co-guidato da Rebecca Abergel e Stosh Kozimor del Los Alamos National Laboratory, ha misurato la prima distanza di legame dell’einsteinio, una proprietà di base delle interazioni di un elemento con altri atomi e molecole che rappresenta la distanza tra i nuclei di due atomi di una specie chimica.
La Abergel, a capo dell’Heavy Element Chemistry group del Berkley Lab e assistente professore al Nuclear Engineering department dell’università della California- Berkeley, spiega che «Non si sa molto di einsteinio. E’ un risultato straordinario che siamo stati in grado di lavorare con questa piccola quantità di materiale e fare chimica inorganica. E’ significativo perché più comprendiamo il suo comportamento chimico, più possiamo applicare questa comprensione per lo sviluppo di nuovi materiali o nuove tecnologie, non necessariamente solo con l’einsteinio, ma anche con il resto degli attinidi. E possiamo stabilire i trend nella tavola periodica».
La Abergel e il suo team (composto anch da Korey Carter, Katherine Shield, Kurt Smith, Leticia Arnedo-Sanchez, Tracy Mattox, Liane Moreau e Corwin Booth di Berkeley Lab, Zachary Jones Kozimor del Los Alamos National Laboratory e Jennifer Wacker e Karah Knope della Georgetown University) hanno utilizzato strutture sperimentali che non erano disponibili decenni fa, quando venne scoperto l’einsteinio per la prima volta: il Molecular Foundry al Berkeley Lab e lo Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) allo SLAC National Accelerator Laboratory, entrambe le strutture appartendono al DOE Office of Science, per condurre la spettroscopia di fluorescenza ed esperimenti di spettroscopia di assorbimento dei raggi X.
Ma prima, ottenere il campione in una forma utilizzabile è stato molto difficile: «L’intero studio è una lunga serie di eventi sfortunati», ha riassunto ironicamente la Abergel.
Il materiale è stato realizzato all’High Flux Isotope Reactor dell’Oak Ridge National Laboratory, uno dei pochi posti al mondo in grado di produrre einsteinio, bombardando bersagli di curio con neutroni per innescare una lunga catena di reazioni nucleari. Visto che produrre einsteinio puro in una quantità utilizzabile è straordinariamente impegnativo, il primo problema che hanno riscontrato i ricercatori statunitensi è stato che il campione era contaminato da una quantità significativa di californio. Quindi hanno dovuto scartare il loro piano originale per utilizzare la cristallografia a raggi X che, fanno notare al Berkeley Lab, «E’ considerata il gold standard per ottenere informazioni strutturali su molecole altamente radioattive ma richiede un campione puro di metallo». Hanno quindi escogitato un nuovo modo per creare campioni e sfruttare tecniche di ricerca specifiche per elemento. I ricercatori di Los Alamos hanno fornito un’ assistenza fondamentale in questa fase progettando un portacampioni particolarmente adatto alle sfide intrinseche che pone l’einsteinio.
La successiva sfida affrontata ha avuto a che fare con il decadimento radioattivo: il team del Berkeley Lab ha condotto i suoi esperimenti con l’einsteinio-254, uno degli isotopi più stabili dell’elemento che ha un’emivita (il tempo in cui metà del materiale decade) di 276 giorni. Anche se il team era riuscito a condurre molti degli esperimenti prima della pandemia di coronavirus, aveva piani per esperimenti di follow-up che sono stati interrotti a causa delle chiusure delle attività scientifiche dovute alla pandemia. Quando nell’estate 2020 gli scienziati sono riusciti a tornare nel loro laboratorio, la maggior parte del campione era andata persa.
Nonostante questo, tuttavia, i ricercatori sono stati in grado di misurare una distanza di legame con l’einsteinio e hanno anche scoperto un comportamento chimico fisico diverso da quello che ci si aspetterebbe dalla serie degli attinidi, che sono gli elementi nella riga inferiore della tavola periodica.
La Abergel spiega ancora: «Determinare la distanza di legame potrebbe non sembrare interessante, ma è la prima cosa che vorresti sapere su come un metallo si lega ad altre molecole. Che tipo di interazione chimica avrà questo elemento con altri atomi e molecole?».
Una volta scoperta la disposizione atomica di una molecola che incorpora l’einsteinio, gli scienziati hanno potuto provare a trovare proprietà chimiche interessanti e migliorare la comprensione delle tendenze periodiche. La Abergel aggiunge: «Ottenendo questo dato, otteniamo una migliore e più ampia comprensione di come si comporta l’intera serie di attinidi. E in quella serie, abbiamo elementi o isotopi che sono utili per la produzione di energia nucleare o per i radiofarmaci».
Al Berkley Lab dicono che «Questa ricerca offre anche la possibilità di esplorare ciò che è oltre il bordo della tavola periodica e possibilmente scoprire un nuovo elemento».
La Abergel conclude: «Stiamo davvero iniziando a capire un po’ meglio cosa succede verso la fine della tavola periodica: E la cosa successiva è che si potrebbe immaginare un einsteinium target per scoprire nuovi elementi. Qualcosa di simile agli ultimi elementi che sono stati scoperti negli ultimi 10 anni, come la tennessina, che utilizzava un target di berkelio, se fossimo in grado di isolare abbastanza einsteinio puro per creare un target, potremmo iniziare a cercare altri elementi e avvicinartci all’isola (teorizzata) di stabilità, dove i fisici nucleari hanno predetto che gli isotopi possono avere un’emivita di minuti o addirittura giorni».