Ученые впервые заперли атом плутония в молекулярной клетке
Учные из Национальной лаборатории имени Лоуренса Ливермора (LLNL), Национальных лабораторий Сандиа и Университета штата Орегон впервые успешно удержали атом плутония внутри молекулы, называемой ионом Кеггина. Результаты опубликованы в журнале Inorganic Chemistry.
«Это важное достижение позволяет нам наблюдать и анализировать атомную структуру плутония в условиях, которые раньше были недоступны», — заявляют исследователи.
Плутоний — серебристо-серый радиоактивный металл, открытый чуть меньше века назад. Он обладает почти 20 изотопами, которые отличаются скоростью распада и периодом полураспада. Из-за своих уникальных свойств плутоний используется в ядерной энергетике, военных технологиях и исследованиях дальнего космоса. Чтобы создавать новые материалы и безопасно работать с этим элементом, учёным важно знать, как атом плутония взаимодействует с другими веществами на микроскопическом уровне.
Как плутоний удерживают в молекуле
Плутоний способен образовывать координационные соединения. Это такие молекулы, где центральный атом металла соединен с другими атомами или ионами, словно центр окружен сетью «держателей». Такие структуры напоминают миниатюрные ячейки, которые помогают металлу сохранять стабильность и определенные свойства.
Особый интерес представляют соединения плутония с полиоксометаллатами (ПОМ). ПОМ — это большие молекулярные кластеры, состоящие из кислорода и металлов, которые действуют как естественные «контейнеры» для ионов. До сих пор ученые знали только пять соединений плутония с ПОМ, что составляет менее одного процента от всех возможных координационных структур, демонстрируя, насколько мало изучена химия этого элемента.
Как закрепили плутоний
В эксперименте применяли ион Кеггина — молекулярный кластер, в основе которого атомы вольфрама и кислорода, а в центре находится фосфор. Ион Кеггина похож на маленький каркас или клетку, способный удерживать один ион металла. До этого он применялся для захвата множества других ионов, но плутония удержать не удавалось.
Ученые приготовили раствор с чрезвычайно малым количеством плутония — всего шесть микрограммов (шесть миллионных долей грамма). Несмотря на такую крошечную дозу, атом надежно закрепили внутри «ячейки» Кеггина, словно зафиксировали редкий драгоценный камень в оправе.
Чтобы убедиться в стабильности и понять точное расположение атомов, применили несколько методов одновременно: рентгеновскую кристаллографию, которая показывает трехмерное расположение атомов; ядерный магнитный резонанс, позволяющий изучать взаимодействие атомных ядер с магнитными полями; оптическую спектроскопию и рентгеновское рассеяние. Все эти методы вместе позволили получить детальный «портрет» молекулы.
Необычная структура и ее значение
Сравнение с другими металлами, закрепленными в ионах Кеггина, показало необычный эффект. У ионов церия, гафния и тория металлы располагались параллельно, как ряды вагонов на путях. Плутоний же встал перпендикулярно, словно вагоны сошли с колеи. Это объясняет, почему его сложно предсказывать и моделировать, а также подчеркивает уникальные химические свойства элемента.
«Это открытие важно не только для плутония. Оно демонстрирует метод, который можно применять к другим сложным элементам периодической таблицы, чтобы изучать их свойства и создавать новые соединения», — говорят авторы исследования
Теперь исследователи могут безопаснее изучать реакционную способность плутония, проектировать новые материалы и получать данные, недоступные ранее. Такие исследования помогут в энергетике, медицине и материаловедении, ведь понимание поведения редких и сложных элементов на атомном уровне открывает новые горизонты для науки и технологий.
