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Élément radioactif rare Einsteinium décrit dans une étude remarquable et complexe à mi-pandémie

Einsteinium est un élément avec un nom célèbre dont presque personne n’a entendu parler. Avec 99 protons et 99 électrons, il se trouve dans l’obscurité près du bas du tableau périodique des éléments chimiques, entre le californium et le fermium. Il est apparu pour la première fois dans les débris explosifs de la première bombe à hydrogène en 1952, et l’équipe de scientifiques qui l’a découvert lui a donné un nom pour honorer Albert Einstein. Aujourd’hui encore, les scientifiques en savent peu. L’Einsteinium est hautement radioactif. Parce qu’il n’y a pas de versions stables qui ne se désagrègent pas en quelques années, on ne le trouve pas dans la nature. Il peut être produit dans quelques réacteurs nucléaires spécialisés, mais seulement en quantités infimes.

Ecrire dans le journal La nature, des chercheurs dirigés par Rebecca J Abergel, qui dirige le groupe de chimie des éléments lourds du Lawrence Berkeley National Laboratory en Californie, ont rapporté mercredi qu’ils avaient maintenant mis au point certaines propriétés chimiques de base de l’einsteinium. Ce n’était pas facile. En effet, Abergel a décrit son article comme le point culminant d’une «longue série d’événements malheureux».

David L. Clark, un scientifique du laboratoire national de Los Alamos qui n’a pas participé à la recherche, a déclaré que le résultat final était un «tour de force» et faisait partie d’une renaissance dans l’étude de ces éléments lourds, qui ont des propriétés très différentes de celles des éléments plus légers et plus courants et pourraient être utilisés dans de nouveaux réacteurs nucléaires ou des thérapies contre le cancer.

«Ce genre de travail n’a pas été fait auparavant», a déclaré Clark. «C’est l’état de l’art.»

Il a fallu un certain temps pour commencer.

Il y a quelques années, Abergel a raté une chance d’obtenir de l’einsteinium qui a été produit au Oak Ridge National Laboratory dans le Tennessee – un centre de recherche fédéral qui était au cœur de la production de l’uranium utilisé dans les premières bombes atomiques – parce qu’elle ne l’avait pas fait. recueilli des fonds pour la recherche à temps. Elle était prête pour la prochaine campagne de production d’einsteinium en 2019.

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Après qu’elle et ses collègues aient conçu les expériences et les procédures de sécurité pour la manipulation de l’élément radioactif, Oak Ridge leur a dit qu’il n’y aurait pas d’einsteinium après tout. Mais environ une semaine plus tard, Oak Ridge a alors déclaré qu’il pourrait fournir de l’einsteinium. «Tout à coup, c’est comme, ‘Oh, ça arrive’», se souvient Abergel. « Mais vous n’obtenez qu’un tiers de ce que vous pensiez. »

Cette plus petite quantité était inférieure à 250 nanogrammes, ou 250 milliardièmes de gramme – moins de 0,00000001 d’once.

  Élément radioactif rare Einsteinium décrit dans une étude remarquable et complexe à mi-pandémie

Un flacon de 300 microgrammes d’einsteinium-253, qui a une demi-vie de 20 jours. Crédit d’image: Département américain de l’énergie

Pire encore, l’échantillon que les chercheurs de Berkeley ont reçu était fortement contaminé par le voisin du tableau périodique de l’einsteinium, le californium. Cela a contrecarré leurs plans initiaux, d’empiler les atomes d’einsteinium dans un cristal, puis d’illuminer les propriétés chimiques de l’élément en le bombardant de rayons X avant d’examiner le motif des rayons qui rebondissent.

Au lieu de cela, ils se sont tournés vers une grande structure moléculaire qui fonctionnait essentiellement comme une griffe pour contenir un atome d’einsteinium, le liant en huit endroits. Mais pour étudier cette structure, ils ont dû utiliser un autre centre de recherche, au SLAC National Accelerator Laboratory de l’autre côté de la baie de San Francisco. Au cours de l’une des premières préparations, un échantillon était trop acide, provoquant la défaillance d’un récipient.

Même si aucun rayonnement n’a fui, Abergel a déclaré: «Parce que nous avons tellement de protocoles de sécurité – et à juste titre – on nous a dit que nous devions tout réévaluer, réévaluer nos techniques.

Le Laboratoire national de Los Alamos, berceau des bombes atomiques, a conçu un nouveau conteneur pour l’équipe de Berkeley. Cela a pris quelques mois, et finalement, Abergel et ses collègues ont pu mener leurs expériences.

Ils étudiaient un isotope de l’einsteinium qui contient 155 neutrons en plus des 99 protons de son noyau. Il s’agit de la deuxième version la plus durable de l’einsteinium, avec une demi-vie de 276 jours. À chaque retard, il leur restait moins d’einsteinium à étudier. Environ 7% des atomes d’einsteinium ont disparu chaque mois.

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Puis, avec la pandémie de coronavirus, tous les laboratoires – y compris ceux nécessaires pour étudier d’autres aspects de l’einsteinium – ont fermé. Lorsqu’ils ont repris le travail, la majeure partie de l’échantillon avait disparu. Mais il y en avait encore assez pour terminer la plupart des recherches.

À partir des expériences du SLAC, ils ont mesuré les longueurs des liaisons moléculaires entre l’éinsteinium et les huit atomes de la griffe moléculaire qui le tient. La longueur s’est avérée être de 2,38 angströms. (Un angström équivaut au cent millionième de centimètre.)

Ils attendaient 2,42 ou 2,43 angströms, a déclaré Korey P. Carter, professeur de chimie à l’Université de l’Iowa et autre auteur du La nature papier. «Une différence statistiquement significative», dit-il.

L’émission de lumière par l’einsteinium s’est également déplacée de manière inattendue vers une longueur d’onde plus courte lorsqu’elle était liée à la griffe moléculaire. Les chercheurs s’attendaient à ce que la longueur d’onde devienne plus longue.

Abergel a déclaré que les différences indiquaient que les électrons se déplaçaient différemment de ce qu’on pensait.

Cela n’a rien d’étonnant. Avec 99 électrons sifflant autour d’un noyau d’einsteinium, il est difficile de trouver un modèle qui décrit avec précision ce qui se passe. Contrairement aux éléments plus légers, la grande charge positive de l’einsteinium et d’autres éléments lourds fait voyager les électrons à des vitesses qui atteignent une fraction importante de la vitesse de la lumière. Cela signifie que les effets de la théorie d’Einstein de la relativité restreinte doivent également être pris en compte.

«Les électrons se déplacent si vite que la chimie change, car la chimie est tout au sujet du comportement des électrons», a déclaré Thomas Albrecht-Schönzart, professeur de chimie à la Florida State University qui n’a pas participé à la recherche. « Presque par définition, vous allez avoir des propriétés étranges. »

Cette question sera étudiée pendant un certain temps.

« Le problème est que ces calculs sont très difficiles », a déclaré Albrecht-Schönzart.

Il est peu probable que l’Einsteinium lui-même trouve une utilisation pratique de sitôt. Mais d’autres éléments lourds pourraient, comme l’actinium, qui est un peu plus léger avec 89 protons et 89 électrons. Et ce que les scientifiques apprennent sur l’einsteinium pourrait également offrir encore plus d’informations sur ces éléments. «La similitude dans cette partie du tableau périodique nous enseigne les principes de structure et de liaison», a déclaré Clark, le scientifique du Los Alamos National Laboratory.

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Actinium est déjà testé comme traitement du cancer. Parce que la chimie des éléments lourds n’est pas bien comprise, il est plus difficile de concevoir des molécules les contenant.

«Mais si nous pouvons comprendre et maîtriser cette chimie à ce niveau de création de liaisons chimiques, alors nous pouvons nous attaquer à des choses comme le traitement du cancer», a déclaré Clark.

Kenneth Chang. c.2021 The New York Times Company

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