Des scientifiques de l'Université de Manchester ont réussi pour la première fois à faire en sorte que les métaux actinides forment des liaisons moléculaires actinide-actinide, ouvrant un nouveau champ d'étude scientifique dans la recherche sur les matériaux.

Rapporté dans le journal La nature , un groupe de scientifiques des universités de Manchester et de Stuttgart a préparé et caractérisé avec succès la liaison actinide-actinide recherchée depuis longtemps dans un composé isolable.

La majorité du tableau périodique est des métaux, ainsi le domaine du collage métal-métal est un vaste domaine de recherche après près de 180 ans d'investigations, avec des applications couvrant la compréhension de la structure électronique, catalyse, la chimie sur les surfaces métalliques, magnétisme, et la chimie bio-inorganique. Les matériaux en vrac peuvent être difficiles à étudier, il y a donc un grand intérêt pour l'étude des composés moléculaires possédant une liaison métal-métal, puisque de telles espèces peuvent être étudiées plus simplement en détail et elles constituent des modèles qui représentent des fragments moléculaires de matériaux en vrac.

Bien que la liaison métal-métal soit extrêmement bien développée pour les métaux de transition et les éléments du groupe principal, qui a servi de base aux applications ci-dessus, elle est restée pratiquement inconnue pour les éléments actinides, avec des exemples limités aux transitoires observés spectroscopiquement ou aux diatomiques fondamentales dans des expériences de piégeage à l'échelle microscopique. Par ailleurs, faire des prédictions sur les éléments du régime relativiste au pied du tableau périodique est très difficile. Ainsi, la réalisation expérimentale de la liaison actinide-actinide dans des molécules isolables en routine est l'une des principales cibles de la chimie des actinides synthétiques depuis des décennies.

Les chercheurs ont réussi à préparer une version réduite, qui est riche en électrons, amas de trithorium. Si des réactifs réducteurs conventionnels avaient été utilisés, le résultat aurait été manqué, parce que ces réactifs hétérogènes produisent lentement l'amas de trithorium, ainsi, seules des traces sont présentes à un moment donné en raison de la décomposition pendant des temps de réaction prolongés. Cependant, la clé du succès était l'utilisation d'un réactif réducteur homogène soluble qui donne des réactions presque instantanées donnant au groupe de trithorium un rendement isolé élevé avant qu'il ne puisse se décomposer.

Professeur Steve Liddle, co-directeur du Centre de recherche en radiochimie (CRR) de l'Université de Manchester, dirigé la recherche. Il a dit :« En utilisant juste le bon agent réducteur combiné avec le bon précurseur synthétique, nous avons pu isoler un complexe qui autrement nous aurait certainement échappé, ce qui soulève la question intéressante de savoir si d'autres liaisons actinide-actinide ont déjà échappé au domaine mais pourraient maintenant être accessibles. »

Étonnamment, en utilisant une gamme de techniques de caractérisation, les chercheurs ont découvert qu'au cœur de la molécule se trouvent deux électrons appariés dans un nuage de densité électronique partagé également entre les trois atomes de thorium. Cette situation très rare est appelée liaison sigma-aromatique, et son rapport ici étend ce type de liaison à une sixième couche quantique atomique principale record et à la septième rangée du tableau périodique.

L'amas de trithorium est remarquable à deux autres égards. Premièrement, il contient une liaison actinide-actinide qui peut être réalisée à grande échelle et isolée, qui permettra un développement et une compréhension plus larges de celui-ci et de sa chimie, l'ouverture de ce nouveau domaine. Deuxièmement, la liaison sigma-aromatique va à l'encontre de la grande majorité des prédictions théoriques antérieures et des liaisons métal-métal réalisées expérimentalement, mettant en évidence les difficultés de faire des prédictions sur les systèmes relativistes.

Le professeur Nikolas Kaltsoyannis, codirecteur du CRR, a dirigé l'analyse informatique. Il a dit :« La liaison chimique dans cette belle molécule est extraordinairement inattendue, soulignant à quel point les éléments actinides peuvent être imprévisibles."

La capacité de fabriquer et d'isoler maintenant des composés à liaison actinide-actinide, dont la réactivité et les propriétés peuvent maintenant être examinées directement, ouvre des opportunités pour développer ce nouveau domaine de la chimie des liaisons métal-métal, par exemple en fournissant des modèles pour les matériaux d'actinides en vrac et potentiellement de nouveaux comportements quantiques.