Les éléments lourds connus sous le nom d'actinides sont des matériaux importants pour la médecine, énergie, et la défense nationale. Mais même si les premiers actinides ont été découverts par des scientifiques du Berkeley Lab il y a plus de 50 ans, nous ne savons toujours pas grand-chose sur leurs propriétés chimiques car seules de petites quantités de ces éléments hautement radioactifs (ou isotopes) sont produites chaque année; ils sont chers; et leur radioactivité les rend difficiles à manipuler et à stocker en toute sécurité.

Mais ces énormes obstacles à la recherche sur les actinides pourraient un jour appartenir au passé. Des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie et de l'UC Berkeley ont démontré comment un microscope électronique de pointe peut imager des échantillons d'actinides aussi petits qu'un seul nanogramme (un milliardième de gramme), une quantité qui est de plusieurs ordres de grandeur inférieurs à ceux requis par les approches conventionnelles.

Leurs conclusions ont été récemment publiées dans Communication Nature , et sont particulièrement importants pour la coauteure principale Rebecca Abergel (abergel.lbl.gov/), dont les travaux sur les chélateurs – molécules liant les métaux – ont permis de nouvelles avancées dans les thérapies anticancéreuses, l'imagerie médicale, et contre-mesures médicales contre les menaces nucléaires, entre autres. Abergel est un chercheur universitaire qui dirige le programme de chimie des éléments lourds dans la division des sciences chimiques du Berkeley Lab, et professeur adjoint en génie nucléaire à l'UC Berkeley.

"Il y a encore tellement de questions sans réponse concernant la liaison chimique dans la série des actinides. Avec une telle instrumentation de pointe, nous sommes enfin en mesure de sonder la structure électronique des composés actinides, et cela nous permettra d'affiner les principes de conception moléculaire pour divers systèmes avec des applications en médecine, énergie, et sécurité, " Abergel a déclaré.

« Nous avons démontré qu'il est possible de travailler avec moins de matière, un nanogramme, et d'obtenir les mêmes, voire de meilleures données, sans avoir à investir dans des instruments dédiés aux matières radioactives. " a déclaré le co-auteur principal Andy Minor, directeur de l'installation du Centre national de microscopie électronique à la fonderie moléculaire de Berkeley Lab, et professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'UC Berkeley.

Permettre aux chercheurs de travailler avec juste un nanogramme d'échantillon d'actinide réduira considérablement les coûts élevés des expériences menées à l'aide des méthodes précédentes. Un gramme d'actinide berkelium peut coûter 27 millions de dollars, par exemple. Un échantillon d'actinide qui n'est qu'un nanogramme réduit également l'exposition aux rayonnements et les risques de contamination, Mineur ajouté.

Dans une série d'expériences à TEAM 0.5 (microscope à correction d'aberration électronique à transmission), un microscope électronique à résolution atomique à la Fonderie Moléculaire, les chercheurs ont imagé des atomes uniques de berkelium et de californium pour démontrer combien moins de matière actinide est nécessaire avec leur approche.

Dans une autre série d'expériences utilisant EELS (spectroscopie de perte d'énergie électronique), une technique pour sonder la structure électronique d'un matériau, les chercheurs ont été surpris d'observer dans le berkelium un faible "couplage spin-orbite, " un phénomène qui peut influencer la façon dont un atome de métal se lie aux molécules. " Cela n'avait jamais été signalé auparavant, " a déclaré le co-auteur Peter Ercius, un scientifique de la Molecular Foundry qui supervise le microscope TEAM 0.5. "C'est comme trouver une aiguille dans une botte de foin. C'est incroyable ce que nous avons pu voir."

Le co-auteur principal Alexander Müller attribue à l'approche interdisciplinaire de « science d'équipe » de Berkeley Lab le mérite de réunir les meilleurs experts mondiaux en microscopie électronique, chimie des éléments lourds, ingénierie nucléaire, et la science des matériaux pour l'étude.

"Parce que Berkeley Lab attire des chercheurs incroyables de tous les domaines scientifiques, ce travail collaboratif interdisciplinaire vient naturellement ici, " a-t-il déclaré. " Personnellement, j'ai trouvé cet aspect très valorisant pour ce projet. Et maintenant que nous avons établi cette approche, nous pouvons poursuivre de nombreuses nouvelles directions dans la recherche sur les actinides." Müller était chercheur postdoctoral à la fonderie moléculaire de Berkeley Lab et au département de science et d'ingénierie des matériaux de l'UC Berkeley au moment de l'étude. Il est maintenant associé au Munich, Allemagne, bureau de Kearney, un cabinet international de conseil en management.

Les protocoles de sécurité en place pour la recherche impliquaient la préparation des échantillons dans des laboratoires dédiés et une étude minutieuse des zones de travail. Étant donné que les échantillons ont été préparés avec des quantités infimes (1 à 10 nanogrammes) de chaque isotope, les risques de contamination de l'équipement ont également été minimisés, les chercheurs ont dit.

Les chercheurs espèrent appliquer leur approche à l'investigation d'autres actinides, dont l'actinium, einsteinium, et fermium.

"Plus nous obtenons d'informations de ces quantités infimes d'éléments radioactifs, mieux nous serons équipés pour faire progresser de nouveaux matériaux pour la radiothérapie du cancer et d'autres applications utiles, " dit Mineur.

Les co-auteurs de l'article comprennent l'ancien chercheur postdoctoral du Berkeley Lab, Gauthier Deblonde (co-auteur principal), maintenant chercheur au Lawrence Livermore National Laboratory, et Steven Zeltmann, un étudiant diplômé du Département de science et d'ingénierie des matériaux de l'UC Berkeley.