Depuis que l'élément 99, l'einsteinium, a été découvert en 1952 au laboratoire national Lawrence Berkeley du département de l'Énergie (Berkeley Lab) à partir des débris de la première bombe à hydrogène, les scientifiques ont effectué très peu d'expériences avec elle parce qu'elle est si difficile à créer et est exceptionnellement radioactive. Une équipe de chimistes du Berkeley Lab a surmonté ces obstacles pour rapporter la première étude caractérisant certaines de ses propriétés, ouvrant la porte à une meilleure compréhension des éléments transuraniens restants de la série des actinides.

Publié dans la revue La nature , l'étude, "Caractérisation structurale et spectroscopique d'un complexe d'Einsteinium, " a été codirigé par Rebecca Abergel, scientifique du Berkeley Lab, et Stosh Kozimor, scientifique du Laboratoire national de Los Alamos, et comprenait des scientifiques des deux laboratoires, UC Berkeley, et l'Université de Georgetown, dont plusieurs sont des étudiants diplômés et des stagiaires postdoctoraux. Avec moins de 250 nanogrammes de l'élément, l'équipe a mesuré la toute première distance de liaison einsteinium, une propriété de base des interactions d'un élément avec d'autres atomes et molécules.

"On ne sait pas grand-chose sur l'einsteinium, " dit Abergel, qui dirige le groupe de chimie des éléments lourds du Berkeley Lab et est professeur adjoint au département de génie nucléaire de l'UC Berkeley. "C'est une réalisation remarquable que nous ayons pu travailler avec cette petite quantité de matériau et faire de la chimie inorganique. C'est important parce que plus nous comprenons son comportement chimique, plus nous pouvons appliquer cette compréhension pour le développement de nouveaux matériaux ou de nouvelles technologies, pas nécessairement seulement avec l'einsteinium, mais avec le reste des actinides aussi. Et nous pouvons établir des tendances dans le tableau périodique."

Éphémère et difficile à faire

Abergel et son équipe ont utilisé des installations expérimentales qui n'étaient pas disponibles il y a des décennies lorsque l'einsteinium a été découvert pour la première fois - la fonderie moléculaire du laboratoire de Berkeley et la source lumineuse de rayonnement synchrotron de Stanford (SSRL) au laboratoire national de l'accélérateur SLAC, les deux installations d'utilisateurs du DOE Office of Science - pour mener des expériences de spectroscopie de luminescence et de spectroscopie d'absorption des rayons X.

Mais d'abord, obtenir l'échantillon sous une forme utilisable était presque la moitié de la bataille. "Tout ce papier est une longue série d'événements malheureux, " dit-elle avec ironie.

Le matériau a été fabriqué dans le réacteur à isotope à haut flux du Laboratoire national d'Oak Ridge, l'un des rares endroits au monde capable de produire de l'einsteinium, qui consiste à bombarder des cibles de curium avec des neutrons pour déclencher une longue chaîne de réactions nucléaires. Le premier problème rencontré était que l'échantillon était contaminé par une quantité importante de californium, car fabriquer de l'einsteinium pur en une quantité utilisable est extrêmement difficile.

Ils ont donc dû abandonner leur plan initial d'utiliser la cristallographie aux rayons X - qui est considérée comme l'étalon-or pour obtenir des informations structurelles sur les molécules hautement radioactives mais nécessite un échantillon pur de métal - et à la place, ils ont trouvé une nouvelle façon de faire des échantillons et d'exploiter techniques de recherche spécifiques aux éléments. Les chercheurs de Los Alamos ont apporté une aide cruciale à cette étape en concevant un porte-échantillon particulièrement adapté aux défis intrinsèques à l'einsteinium.

Puis, lutter contre la désintégration radioactive était un autre défi. L'équipe du Berkeley Lab a mené ses expériences avec l'einsteinium-254, l'un des isotopes les plus stables de l'élément. Il a une demi-vie de 276 jours, c'est le temps pendant lequel la moitié du matériau se désintègre. Bien que l'équipe ait pu mener de nombreuses expériences avant la pandémie de coronavirus, ils avaient des plans pour des expériences de suivi qui ont été interrompues grâce aux fermetures liées à la pandémie. Au moment où ils ont pu retourner dans leur laboratoire l'été dernier, la plupart de l'échantillon avait disparu.

Distance de liaison et au-delà

Toujours, les chercheurs ont pu mesurer une distance de liaison avec l'einsteinium et ont également découvert un comportement physico-chimique différent de celui attendu de la série des actinides, qui sont les éléments de la rangée inférieure du tableau périodique.

« Déterminer la distance de liaison peut ne pas sembler intéressant, mais c'est la première chose que vous voudriez savoir sur la façon dont un métal se lie à d'autres molécules. Quel type d'interaction chimique cet élément va-t-il avoir avec d'autres atomes et molécules ?", a déclaré Abergel.

Une fois que les scientifiques ont cette image de l'arrangement atomique d'une molécule qui incorpore de l'einsteinium, ils peuvent essayer de trouver des propriétés chimiques intéressantes et d'améliorer la compréhension des tendances périodiques. "En obtenant cette donnée, nous gagnons un meilleur, une compréhension plus large du comportement de l'ensemble de la série des actinides. Et dans cette série, nous avons des éléments ou des isotopes utiles pour la production d'énergie nucléaire ou radiopharmaceutique, " elle a dit.

De façon tentante, cette recherche offre également la possibilité d'explorer ce qui est au-delà du bord du tableau périodique, et éventuellement découvrir un nouvel élément. "Nous commençons vraiment à comprendre un peu mieux ce qui se passe vers la fin du tableau périodique, et la prochaine chose est, vous pourriez aussi imaginer une cible d'einsteinium pour découvrir de nouveaux éléments, " Abergel a dit. " Semblable aux derniers éléments qui ont été découverts au cours des 10 dernières années, comme le tennessine, qui utilisait une cible de berkélium, si vous pouviez isoler suffisamment d'einsteinium pur pour en faire une cible, vous pourriez commencer à chercher d'autres éléments et vous rapprocher de l'îlot (théorisé) de stabilité, " où les physiciens nucléaires ont prédit que les isotopes peuvent avoir des demi-vies de minutes ou même de jours, au lieu des demi-vies microsecondes ou moins qui sont courantes dans les éléments superlourds.