Периодическая таблица — один из триумфов науки. Ещё до открытия некоторых элементов эта таблица успешно предсказывала их массу, плотность, способ соединения с другими элементами и множество других свойств.
Однако в нижней части таблицы Менделеева, где массивные атомы буквально переполнены протонами, её предсказательная сила может начать ослабевать. Эксперименты по изучению химии самых тяжёлых элементов, особенно сверхтяжёлых элементов, имеющих более 103 протонов, долгое время были сложной задачей.
Исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab), Калифорнийского университета в Беркли и Университета Алабамы использовали 88-дюймовый циклотрон для разработки новой техники создания и непосредственного обнаружения молекул, содержащих тяжёлые и сверхтяжёлые элементы.
В исследовании, опубликованном сегодня в журнале Nature, команда учёных использовала этот метод для создания молекул, содержащих нобелий (элемент 102). Это первый случай, когда учёные напрямую измерили молекулу, содержащую элемент с атомным номером больше 99.
«Что действительно впечатляет, так это то, что это открывает дверь для следующего поколения исследований в области химии „атом за атомом“ — так мы сможем изучить химию сверхтяжёлых элементов и выяснить, занимают ли они правильные позиции в периодической таблице», — сказала Дженнифер Пор, учёный из Berkeley Lab и ведущий автор статьи. «Я думаю, мы полностью изменим подход к изучению химии сверхтяжёлых элементов».
Команда также создала молекулы, содержащие актиний (элемент 89). Это позволило им одновременно изучить крайности ряда актинидов — группы в периодической таблице, охватывающей элементы с 89 по 103. Исследователи зафиксировали, как часто актиний и нобелий связываются с одной или несколькими молекулами воды или азота, предоставив новую информацию о том, как актиниды взаимодействуют в рамках одного эксперимента.
«Это был первый случай, когда кто-либо когда-либо проводил прямое сравнение раннего актинида с элементом позднего периода», — сказала Пор. «Нас не удивили никакие результаты по химии — они соответствовали тому, что имеет смысл в соответствии с тенденцией. Но тот факт, что мы могли видеть химию этих вещей, которые мы производим по одному атому за раз, и непосредственно наблюдать молекулярные виды, был действительно захватывающим».
Неожиданностью для исследователей стало то, насколько легко они создали молекулы нобелия.
Оригинальный план эксперимента
88-дюймовый циклотрон ускорял пучок изотопов кальция в мишень из тулия и свинца, создавая поток частиц, включающий интересующие актиниды. Газовый сепаратор в Беркли очищал лишние частицы, отправляя только актиний и нобелий в конусообразный газовый уловитель. Выходя из этой воронки на сверхзвуковой скорости, газ расширялся, взаимодействуя с другим потоком реактивного газа для создания молекул. Затем электроды направляли эти молекулы в FIONA — современный спектрометр, который мог измерять их массы и точно определять, какие молекулы образовались.
Но прежде чем исследователи успели ввести свой реактивный газ, они заметили нечто неожиданное: они уже регистрировали молекулы, содержащие нобелий, в своём детекторе. Присутствующие в ничтожно малых количествах в FIONA stray nitrogen и water (примеси азота и воды) объединились с атомами нобелия.
«Мы предполагали, что не будем создавать молекулы в эксперименте до тех пор, пока не захотим этого», — сказала Джеклин Гейтс, учёный-ядерщик из Berkeley Lab и соавтор статьи. «Тот факт, что мы это делаем, является важным моментом, потому что ни одна другая установка для изучения химии „атом за атомом“ не имеет возможности идентификации молекул, и все они всегда предполагали, что не создают молекул».
Исследователи ранее считали, что строгие процессы очистки газа в их системах оставят незначительное количество молекул воды и азота, и что в их реакциях не будет достаточно энергии для разрыва этих связей и непреднамеренного повторного образования молекул. Но это оказалось не так.
«Для типов молекул, которые мы здесь создаём, вам не нужно разрывать связи. Ионы металлов находят воду, и они слипаются, образуя эти молекулярные виды», — сказала Пор. «Это может иметь потенциальные последствия для изучения сверхтяжёлых элементов, потому что мы создали множество молекул даже с нашей чистой установкой. С этим результатом исследователям придётся более тщательно продумывать, что они на самом деле создают в своих системах».
Неожиданное формирование молекул может помочь объяснить предыдущие противоречивые эксперименты, в которых изучалось, ведёт ли себя флеровий (элемент 114) как благородный газ (элементы, которые, как правило, не взаимодействуют с другими материалами из-за особенностей расположения электронов). Это открытие также может пролить новый свет на интерпретацию недавних исследований элементов 113 и 115 и повлиять на все будущие исследования в газовой фазе сверхтяжёлых элементов.