Вчені розкрили секрети найважчого елемента в історії

Дослідження moscovium та nihonium показали, що вони є більш реакційноздатними, ніж флеровій, і піддаються значним релятивістським ефектам, що розширює наше розуміння надважких елементів та їхнього потенційного застосування. Міжнародна команда під керівництвом вчених з GSI/FAIR в Дармштадті, Університету Йоганна Гутенберга в Майнці та Інституту Гельмгольца в Майнці успішно визначила хімічні властивості штучно створених надважких елементів moscovium та nihonium (елементи 115 і 113).

Наразі moscovium є найважчим елементом, який коли-небудь піддавався хімічному вивченню. Їхнє дослідження, опубліковане в журналі Frontiers in Chemistry, показує, що обидва елементи є більш хімічно активними, ніж флеровій (елемент 114), який раніше вивчався в GSI/FAIR.

Дослідження релятивістських ефектів у хімії

Завдяки цьому результату експерименти в GSI/FAIR тепер надають дані про три надважкі елементи 113, 114 і 115, що дозволяє надійно класифікувати їхні властивості та оцінити структуру періодичної таблиці в цій екстремальній області.

Коли елементи стають важчими, їхні численні протони в ядрі прискорюють електрони, що обертаються навколо ядра, до все більш високих швидкостей — настільки високих, що починають діяти ефекти, які можна пояснити лише за допомогою знаменитої теорії відносності Ейнштейна. Величезна швидкість робить електрони важчими.

У свинцю (елемент 82), наприклад, наслідки таких процесів уже діють і сприяють хімічним процесам у свинцевих батареях. Сусіди зліва і справа – талій і вісмут – поводяться по-різному. Ефект, хоч і невеликий, але локалізований на свинці. Чи може надважкий елемент бути головною альтернативою?

Як щодо важчого сусіда по групі періодичної таблиці, флеровію, елемента 114, відкритого та хімічно вивченого лише за останні 20 років? Було виявлено, що він зовсім не схожий на свинець, легко перетворюється на газ і менш хімічно реактивний.

Щоб знайти відповіді, також потрібно було перевірити два сусідні елементи, елементи 113, нігоній, і 115, москоїв. Хоча повідомлялося про попередні дослідження хімії нігонію, досі не було досягнуто жодного успішного дослідження хімії московію, де найкраще підходящий ізотоп існує лише приблизно 20 сотих секунди.

Досягнення в синтезі надважких елементів

Цей результат тепер досягнутий завдяки міжнародній співпраці в GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung у Дармштадті, Німеччина. Команда повідомила, що обидва сусіди, нігоній і московій, демонструють вищу хімічну реакційну здатність, ніж проміжний флеровій. Локальний ефект, який спостерігається у свинцю, таким чином, також спостерігається у флеровіумі, однак набагато сильніше, що не дивно, враховуючи набагато вищий заряд ядра.

Для отримання цього результату було достатньо спостереження лише за жменькою атомів. Однак для цього знадобилося два місяці безперервної цілодобової роботи на прискорювачі важких іонів GSI/FAIR. Щоб отримати надважкі елементи, команда опромінила тонку фольгу, що містить америцій-243 (елемент 95), який сам по собі є штучним елементом, інтенсивними пучками іонів кальцію-48 (елемент 20). Їх злиття призвело до утворення ядер московію-288 (елемент 115), які за частки секунди перетворилися на нігоній-284 (елемент 113).

Передові експериментальні методи відкривають нові ідеї

Інертний газ продував обидва елементи через детекторну матрицю, покриту тонким шаром кварцу. Детектори реєструють розпад окремих надважких атомів і визначають, чи утворюють атоми хімічний зв’язок із кварцом, достатньо сильний, щоб утримати їх там, де вони вперше стикаються з поверхнею. Слабше зв’язування призводить до подальшого транспортування газом.

Таким чином, шаблон, зареєстрований у масиві детекторів, надає інформацію про силу хімічних зв’язків – отже, хімічну реакційну здатність елементів. Елементи з низькою реактивністю могли навіть вийти з масиву, але лише для того, щоб зустріти вкриті золотом детектори. Зв’язки із золотом, як правило, міцніші, ніж з кварцом, що гарантує, що кожен досліджуваний атом справді зберігається та реєструється.

«Завдяки нещодавно розробленій установці для хімічного розділення та виявлення в поєднанні з електромагнітним сепаратором TASCA наші дослідження газової хроматографії можна було розширити до більш реакційноздатних хімічних елементів, таких як нігоній і московій», — пояснює д-р Олександр Якушев з GSI/FAIR, прес-секретар. міжнародної співпраці. «Нам вдалося підвищити ефективність і скоротити час, необхідний для хімічного розділення, до такої міри, що ми змогли спостерігати дуже короткоживучий московій-288, і з навіть більшою швидкістю близько двох виявлених атомів щотижня його дочірній нігоній-284».

Загалом було зареєстровано чотири атоми московію, всі в покритому кварцом масиві. Серед 14 виявлених атомів нігонію спостерігалося осадження переважно на кварці, що вказує на утворення хімічного зв’язку. Один атом досяг вкритого золотом масиву, що вказує на те, що кварцовий зв’язок не дуже міцний. Це відрізняється від поведінки легших гомологів талію (для нігонію) та вісмуту (для московію), які, як відомо, утворюють міцні зв’язки з кварцом. Так само свинець, гомолог флеровію, утворює міцні зв’язки з кварцом, тоді як флеровій цього не робить.

Повний набір даних про ці елементи показує, що надважкі елементи набагато менш реактивні, ніж їхні легші гомологи, що пояснюється інертністю, пов’язаною з виникненням релятивістських ефектів. Найбільш виражений ефект спостерігається локально у флеровіумі, який все ще є металом, але дуже слабо реагує – поведінка, яка вказує на наявність закритих електронних (суб)оболонок, майже як у нереакційноздатних благородних газах. Результати демонструють вплив теорії відносності Ейнштейна на періодичну таблицю і водночас встановлюють новий рекорд щодо найважчого елемента, який коли-небудь хімічно досліджувався.

З технічним прогресом з’являються нові вимоги до матеріалів. Чи можуть нові елементи зробити внесок? Подібно до того, як автомобілі перетворюються з викопного двигуна на електричний, інші предмети нашого повсякденного життя поступово припиняють роботу, їх замінює технологія, заснована на нових матеріалах. Перший пристрій на основі флеровіуму ще не за горами. Наразі можна виробляти лише один атом на тиждень, який триває менше секунди. З розвитком технологій це може змінитися, що з часом зробить доступними більші суми. Ми не знаємо, чи можуть вони служити в майбутніх батареях, як медичні засоби, або збагатити наше життя немислимим сьогодні способом. Але завдяки новаторським експериментам у Дармштадті майбутні дослідники матимуть фору й уже знатимуть хімічний характер цих нових матеріалів. Результат також відкриває нові перспективи для міжнародного об’єкта FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research), який зараз будується в Дармштадті.