À moins que le gaz radon ne soit découvert lors d'une inspection résidentielle, la plupart des gens restent parfaitement inconscients que les roches comme le granit, minerais métalliques, et certains sols contiennent des sources naturelles de rayonnement. Dans la plupart des cas, les faibles niveaux de rayonnement ne sont pas un problème de santé. Mais certains scientifiques et ingénieurs s'inquiètent même des niveaux infimes de rayonnement, qui peuvent faire des ravages sur les équipements sensibles. L'industrie des semi-conducteurs, par exemple, dépense des milliards chaque année pour rechercher et « nettoyer » les niveaux d'ultra-traces de matières radioactives des micropuces, transistors et capteurs sensibles.

Aujourd'hui, les chimistes du Pacific Northwest National Laboratory du département de l'Énergie des États-Unis ont mis au point une méthode simple et fiable qui est prometteuse pour transformer la façon dont les éléments ultra-traces sont séparés et détectés. De faibles niveaux d'éléments radioactifs naturels gênants comme les atomes d'uranium et de thorium sont souvent cachés parmi des métaux précieux comme l'or et le cuivre. Cela a été extraordinairement difficile, pas pratique, voire impossible, dans certains cas, pour déterminer la quantité trouvée dans les échantillons de minerai extraits à travers le monde.

Or, s'approvisionner en matériaux à très faibles niveaux de rayonnement naturel est essentiel pour certains types d'instruments et de détecteurs sensibles, comme ceux qui recherchent des preuves de particules actuellement non détectées qui, selon de nombreux physiciens, constituent en réalité la majeure partie de l'univers.

"Nous repoussons vraiment les limites de la détection, " a déclaré la chimiste Khadouja Harouaka. " Nous voulons mesurer de très faibles niveaux de thorium et d'uranium dans les composants qui entrent dans certains des détecteurs les plus sensibles au monde. Il est particulièrement difficile de mesurer de faibles niveaux de thorium et d'uranium dans les métaux précieux comme l'or qui entre dans les composants électriques de ces détecteurs. Avec cette nouvelle technique, nous pouvons surmonter ce défi et atteindre des limites de détection aussi basses que 10 parties par billion d'or."

C'est comme essayer de trouver un trèfle à quatre feuilles dans environ 100 000 acres de superficie de trèfle plus grande que la Nouvelle-Orléans.

Des mondes de particules en collision

Les scientifiques localisent leurs atomes de "trèfle à quatre feuilles" extraordinairement rares dans l'immense champ d'atomes ordinaires en envoyant leurs échantillons à travers une série de chambres d'isolement. Ces chambres filtrent d'abord puis heurtent les atomes rares avec de l'oxygène simple, créant une molécule "marquée" d'un poids moléculaire unique qui peut ensuite être séparé par sa taille et sa charge.

L'effet est comme trouver un moyen d'attacher un ballon d'hélium à chaque atome de thorium ou d'uranium cible afin qu'il flotte au-dessus de la mer d'échantillon d'or et puisse être compté. Dans ce cas, le compteur sophistiqué est un spectromètre de masse. La recherche est détaillée dans un numéro récent du Journal of Analytical Atomic Spectroscopy.

L'innovation centrale est la chambre de cellule de collision, où les atomes chargés de thorium et d'uranium réagissent avec l'oxygène, augmentant leur poids moléculaire et leur permettant de se séparer d'autres signaux qui se chevauchent et qui peuvent masquer leur présence.

"J'ai eu un moment aha, " a déclaré Greg Eiden, l'inventeur PNNL original de la cellule de collision brevetée, qui est utilisé pour effectuer ces réactions, réduisant ainsi les interférences indésirables dans la lecture de l'instrument par un facteur d'un million. "C'était cette chimie miracle qui élimine les mauvaises choses que vous ne voulez pas dans votre échantillon afin que vous puissiez voir ce que vous voulez voir."

Dans l'étude actuelle, Harouaka et son mentor Isaac Arnquist ont tiré parti du travail d'Eiden pour démasquer le nombre infime d'atomes radioactifs qui peuvent néanmoins ruiner les équipements de détection électroniques sensibles.

Entre autres utilisations, l'innovation peut permettre aux chimistes, dirigé par le chimiste senior Eric Hoppe et son équipe au PNNL, perfectionner davantage la chimie qui produit le cuivre électroformé le plus pur au monde. Le cuivre constitue un composant clé des détecteurs de physique sensible, y compris ceux utilisés pour la vérification des traités nucléaires internationaux.

Visite d'écoute des neutrinos

Le physicien de Stanford, Giorgio Gratta, aide à mener une quête mondiale pour recueillir des preuves des éléments constitutifs fondamentaux de l'univers. L'expérience nEXO, maintenant au stade de la planification, repousse les limites de la détection pour mettre en évidence ces particules insaisissables, appelé Majorana Fermions. Les signaux qu'ils recherchent proviennent d'événements extrêmement rares. Pour détecter un tel événement, les expériences nécessitent des détecteurs extrêmement sensibles qui sont exempts de pings de rayonnement parasite introduits à travers les matériaux qui composent le détecteur. Cela inclut les métaux dans l'électronique nécessaires pour enregistrer les événements extrêmement rares qui déclenchent la détection.

« PNNL est un leader mondial de la détection des rayonnements ultra-traces, " a déclaré Gratta. " Leur mélange unique d'innovation et d'application fournit une contribution importante qui permet des expériences sensibles comme nEXO. "

Le physicien Steve Elliott du Laboratoire national de Los Alamos a souligné jusqu'où les chercheurs doivent aller pour assurer un environnement scrupuleusement propre pour la détection des particules rares.

« Dans les programmes expérimentaux où même les empreintes digitales humaines sont trop radioactives et doivent être évitées, les techniques de mesure des niveaux d'impuretés radioactives ultra-faibles sont essentielles, " il a dit, ajoutant que cette méthode pourrait fournir un moyen important d'obtenir des matériaux pour un autre détecteur d'événements de neutrinos rares de la prochaine génération, appelé LÉGENDE, en cours de déploiement dans un site souterrain en Europe.

Nettoyage des semi-conducteurs et des ordinateurs quantiques

Semi-conducteurs, les éléments de base de l'électronique moderne, y compris les circuits intégrés, puces électroniques, transistor, les capteurs et les ordinateurs quantiques sont également sensibles à la présence de rayonnements parasites. Et le cycle d'innovation exige de chaque génération un pack de plus en plus dans des micropuces de plus en plus petites.

"Au fur et à mesure que l'architecture devient de plus en plus petite, la contamination par rayonnement est un problème de plus en plus important que les fabricants ont contourné en modifiant l'architecture à l'intérieur des puces, " dit Hoppe. " Mais il n'y a que jusqu'à ce que vous puissiez aller avec ça, et vous commencez vraiment à être limité par la pureté de certains de ces matériaux. L'industrie s'est fixé des objectifs qu'elle ne peut atteindre actuellement, donc avoir une technique de mesure comme celle-ci pourrait rendre certains de ces objectifs réalisables."

Plus généralement, Eiden a ajouté, "Dans le grand monde du tableau périodique, il y a probablement des applications pour tout élément qui vous intéresse. Et qu'est-ce qu'Eric, Khadouja et Isaac recherchent ici l'analyse de toute trace d'impureté dans n'importe quel matériau ultra-pur."