Le supercalculateur Titan de l'Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) a permis aux scientifiques d'explorer un état d'oxydation inattendu dans le rare, élément radioactif berkelium qui a été observé pour la première fois expérimentalement. L'OLCF est une installation d'utilisateurs de l'Office of Science du département américain de l'Énergie (DOE).

L'état d'oxydation d'un atome est caractérisé par le nombre d'électrons qu'il échange pour former un composé et fournit des informations sur la façon dont un élément interagit avec le milieu environnant. Publié en avril dans Chimie de la nature , l'étude aide à combler les lacunes dans la compréhension fondamentale du berkelium et pourrait avoir des applications futures pour la séparation à faible toxicité dans la gestion des déchets nucléaires.

Des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ont acquis un échantillon infime de l'isotope de berkelium le plus courant, Bk-249, du Laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) du DOE par le biais du programme d'isotopes du DOE. Incidemment, l'élément et Berkeley Lab sont homonymes de Berkeley, Californie où l'élément a été découvert en 1949.

A l'ORNL, isotopes radioactifs pour la recherche, y compris Bk-249, sont produits et purifiés avec le soutien du DOE Isotope Program, qui a récemment contribué à une étude distincte et très médiatisée - la découverte de l'élément 117. Le nouvel élément a été officiellement nommé "Tennessine" grâce, en partie, au rôle de l'ORNL dans la synthèse du berkelium nécessaire à sa création.

Bien que le berkelium ait été synthétisé pour la première fois il y a plus de 60 ans, son isotope est produit en si petites quantités et reste stable pendant si peu de temps (moins d'un an) que sa structure fondamentale et ses propriétés sont rarement étudiées. La production du Bk-249 est également une entreprise de longue haleine qui comprend de nombreuses étapes précises et l'expertise de toute une équipe de scientifiques et d'ingénieurs, a déclaré Julie Ezold du Groupe de traitement des matières nucléaires de l'ORNL.

Un regard rare sur le berkelium

Cependant, les scientifiques connaissent de nombreuses propriétés du berkélium. Avec un numéro atomique de 97, il se produit dans une classe d'éléments connus sous le nom d'actinides, qui sont métalliques, éléments radioactifs de numéros atomiques compris entre 89 et 103. L'uranium et le plutonium sont également des actinides, pourtant, la plupart de leurs isotopes respectifs ont des demi-vies beaucoup plus longues que le Bk-249 et émettent des particules alpha de haute énergie, tandis que le Bk-249 émet des particules bêta de plus faible énergie. Les chercheurs du Berkeley Lab utilisent la cristallographie aux rayons X de haute puissance et la spectrométrie de masse pour étudier la structure chimique du Bk-249 et comment il peut interagir avec l'environnement.

"Nous avons étudié les propriétés spectroscopiques des actinides plus lourds pour acquérir une compréhension plus fondamentale de ces éléments, qui ont des applications dans le cycle du combustible nucléaire et la gestion des déchets, " dit Rebecca Abergel, chercheur et chercheur principal au Berkeley Lab et lauréat en 2014 d'un prix du programme de recherche en début de carrière du DOE Office of Science.

L'équipe de chimistes des actinides d'Abergel, dont Gauthier Deblonde, travaillé en étroite collaboration avec des cristallographes de protéines du laboratoire de Roland Strong au Fred Hutchinson Cancer Research Center.

Au cours de leurs travaux expérimentaux, L'équipe d'Abergel a remarqué quelque chose d'étrange. Des recherches antérieures ont montré que tous les actinides trans-plutonium (ceux dont le numéro atomique est supérieur à celui du plutonium, ou 94) pour se stabiliser dans un état d'oxydation +III - une propriété qui décrit comment l'élément établit des liaisons chimiques. Pour explorer ses frontières chimiques, les scientifiques ont essayé de pousser le berkelium à l'état d'oxydation +IV en utilisant des produits chimiques très acides, mais l'effet, bien que possible, est éphémère.

Dans cette étude, L'équipe d'Abergel a lié le Bk-249 à un ligand organique synthétisé, qui est une molécule qui se lie à un ion métallique central (dans ce cas Bk-249) pour former un composé. L'équipe a déjà utilisé ce ligand sur les actinides pour sa capacité à se lier à cette classe d'éléments. En capturant la structure du Bk-249 tout en étant lié au ligand, les chercheurs s'attendaient à en savoir plus sur les propriétés structurelles et chimiques du berkélium, y compris son état d'oxydation +III.

"Nous utilisons des molécules naturelles, ou des ligands, fabriqué à partir de bactéries pour se lier aux actinides. Quelques-unes de ces molécules sont liées par des protéines, donc vous vous retrouvez avec un système incluant une protéine, ligand, et du métal (l'actinide) liés ensemble, " Abergel a dit. " Dans ce cas, la protéine ne s'est pas liée au complexe métal-ligand, indiquant un état d'oxydation +IV."

Contrairement aux produits chimiques acides, un ligand organique pourrait offrir une alternative plus naturelle et plus simple pour les applications de gestion des déchets.

La simulation confirme l'expérience

Pour aider à faire la lumière sur les résultats expérimentaux intéressants, L'équipe d'Abergel s'est tournée vers le informaticien Wibe (Bert) de Jong, Chimie computationnelle, Responsable du groupe Matériaux et Climat au Berkeley Lab. Dans le cadre d'un projet à grande échelle d'impact informatique innovant et nouveau sur la théorie et l'expérience axé sur la chimie fondamentale des actinides dirigé par David Dixon à l'Université de l'Alabama, de Jong a utilisé le système Titan à 27 pétaflops à l'OLCF pour simuler la liaison du Bk-249 au ligand, puis a généré les données de spectroscopie correspondantes.

"La chimie des actinides est un domaine difficile en général avec très peu de données expérimentales disponibles, " a déclaré de Jong. " L'informatique aide beaucoup en vérifiant les résultats expérimentaux, informer la conception de nouvelles expériences, ou servir de remplacement pour les expériences afin que les chercheurs n'aient pas à s'occuper de la radioactivité. »

Les simulations sur Titan et le Cray XC30 Eos à 736 nœuds de l'OLCF comprenaient environ 100 atomes, capturer comment Bk-249 se lie au ligand dans les états d'oxydation +III et +IV. L'étude informatique a utilisé NWChem, un code de chimie computationnelle évolutif qui peut fonctionner efficacement sur des milliers de processeurs informatiques. Pour calculer le grand nombre d'états excités présents dans les systèmes moléculaires comme le métal et le composé de ligand dans cette étude, l'équipe s'est appuyée sur des avancées significatives dans NWChem qui ont été développées dans le cadre d'un projet de découverte scientifique grâce à l'informatique avancée (SciDAC) dirigé par Chris Cramer à l'Université du Minnesota, pour lequel de Jong est co-chercheur principal.

« Après avoir fait les calculs, nous avons généré des spectres que nous avons pu comparer directement à ceux générés par les expériences d'Abergel, " a déclaré de Jong.

En traduisant les données de calcul en ce qu'elles ressembleraient à des données expérimentales, les chercheurs ont pu confirmer qu'ils avaient bien observé un état d'oxydation +IV en expérience.

"Le ligand permet en fait au berkelium de s'oxyder de +III à +IV, donc cela nous en dit long sur la façon dont les environnements peuvent changer la physique et la chimie des éléments actinides, " a déclaré de Jong.

Les chercheurs prévoient d'utiliser davantage de modélisation informatique et de simulations dans les extensions de cette étude.

"Nous l'avons étendu à toute la série des actinides pour comprendre la tendance systémique à la liaison dans cette série, " Abergel a déclaré. "Nous ne sommes qu'au début de cela, mais cela signifie que nous comprenons mieux comment la chimie affecte la façon dont l'élément interagit avec l'environnement."