Οι επιστήμονες έχουν μελετήσει με επιτυχία το αϊνστάινιουμ ένα από τα πιο αόριστα και βαρύτερα στοιχεία του περιοδικού πίνακα για πρώτη φορά σε δεκαετίες. Το επίτευγμα φέρνει τους χημικούς πιο κοντά στην ανακάλυψη του λεγόμενου «νησιού σταθερότητας», όπου πιστεύεται ότι κατοικούν μερικά από τα πιο ψηλά και βραχύβια στοιχεία.
Το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ ανακάλυψε για πρώτη φορά το αϊνστάινιουμ το 1952 κατά την πτώση της πρώτης βόμβας υδρογόνου. Το στοιχείο δεν εμφανίζεται φυσικά στη Γη και μπορεί να παραχθεί μόνο σε μικροσκοπικές ποσότητες χρησιμοποιώντας εξειδικευμένους πυρηνικούς αντιδραστήρες. Είναι επίσης δύσκολο να διαχωριστεί από άλλα στοιχεία, είναι εξαιρετικά ραδιενεργό και γρήγορα αποσυντίθεται, καθιστώντας εξαιρετικά δύσκολη τη μελέτη.
Ερευνητές από το Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας, πρόσφατα δημιούργησαν ένα δείγμα 233 νανογραμμαρίων καθαρού αϊνστάινιουμ και πραγματοποίησαν τα πρώτα πειράματα στο στοιχείο από τη δεκαετία του 1970. Με αυτόν τον τρόπο κατάφεραν να αποκαλύψουν μερικές από τις θεμελιώδεις χημικές ιδιότητες του στοιχείου για πρώτη φορά.
Πολύ δύσκολο να το μελετήσετε
Οι φυσικοί δεν ξέρουν σχεδόν τίποτα για το αϊνστάινιουμ.
“Είναι δύσκολο να δημιουργηθεί μόνο του, λόγω του πού βρίσκεται στον περιοδικό πίνακα”, δήλωσε ο Κόρεϊ Κάρτερ, επίκουρος καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Αϊόβα και πρώην επιστήμονας στο εργαστήριο Berkeley Lab.
Όπως και άλλα στοιχεία της σειράς μια ομάδα 15 μεταλλικών στοιχείων που βρίσκονται στο κάτω μέρος του περιοδικού πίνακα το αϊνστάινιουμ κατασκευάζεται με βομβαρδισμό ενός στοιχείου στόχου, σε αυτήν την περίπτωση το κούριο, με νετρόνια και πρωτόνια για τη δημιουργία βαρύτερων στοιχείων. Η ομάδα χρησιμοποίησε έναν εξειδικευμένο πυρηνικό αντιδραστήρα στο Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge στο Τενεσί, ένα από τα λίγα μέρη στον κόσμο όπου μπορεί να κατασκευαστεί το αϊνστάινιουμ.
Ωστόσο, η αντίδραση έχει σχεδιαστεί για να κάνει το californium ένα εμπορικά σημαντικό στοιχείο που χρησιμοποιείται σε πυρηνικούς σταθμούς παραγωγής ενέργειας και έτσι καθιστά μόνο μια πολύ μικρή ποσότητα αϊνστάινιουμ ως υποπροϊόν. Η εξαγωγή ενός καθαρού δείγματος αϊνστάινιουμ από το californium είναι δύσκολη λόγω των ομοιότητας μεταξύ των δύο στοιχείων, πράγμα που σήμαινε ότι οι ερευνητές κατέληξαν σε ένα μικρό μόνο δείγμα αϊνστάινιουμ-254, ένα από τα πιο σταθερά ισότοπα ή εκδόσεις του ασαφούς στοιχείου.
Το αϊνστάινιουμ-254 έχει χρόνο ημιζωής 276 ημερών, ο χρόνος αποσύνθεσης του μισού υλικού – και διασπάται σε berkelium -250, το οποίο εκπέμπει εξαιρετικά βλαβερή ακτινοβολία γάμμα. Ερευνητές στο Εθνικό Εργαστήριο του Los Alamos στο Νέο Μεξικό σχεδίασαν έναν ειδικό κάτοχο δείγματος με τρισδιάστατη εκτύπωση για να περιέχουν το αϊνστάινιουμ και να προστατεύσουν τους επιστήμονες του Berkeley Lab από αυτήν την ακτινοβολία.
Ωστόσο, η αποσύνθεση του στοιχείου δημιούργησε επίσης άλλα προβλήματα για τους ερευνητές.
«Παραμορφώνεται με συνέπεια, οπότε χάνετε το 7,2% της μάζας σας κάθε μήνα όταν το μελετάτε», είπε ο Κάρτερ. “Πρέπει να το λάβετε αυτό υπόψη όταν σχεδιάζετε τα πειράματά σας.”
Η ομάδα στο Berkeley Lab είχε συνηθίσει να ασχολείται με άλλα στοιχεία με σύντομο χρόνο ημιζωής. Ακόμα κι έτσι, η ομάδα ξεκίνησε τη δουλειά τους λίγο πριν από το ξέσπασμα της πανδημίας COVID-19, πράγμα που σήμαινε ότι έχασαν πολύτιμο χρόνο και δεν μπόρεσαν να ολοκληρώσουν όλα τα προγραμματισμένα πειράματα.
Εκπληκτικά αποτελέσματα
Το κύριο εύρημα από τη μελέτη ήταν η μέτρηση του μήκους του δεσμού του αϊνστάινιουμ η μέση απόσταση μεταξύ δύο συνδεδεμένων ατόμων μια θεμελιώδης χημική ιδιότητα που βοηθά τους επιστήμονες να προβλέψουν πώς θα αλληλεπιδράσει με άλλα στοιχεία. Διαπίστωσαν ότι το μήκος του δεσμού του αϊνστάινιουμ αντιβαίνει στη γενική τάση των ακτινιδών. Αυτό είναι κάτι που είχε θεωρηθεί θεωρητικά στο παρελθόν, αλλά δεν έχει αποδειχθεί πειραματικά στο παρελθόν.
Σε σύγκριση με την υπόλοιπη σειρά ακτινίδης, το αϊνστάινιουμ φωτίζει επίσης πολύ διαφορετικά όταν εκτίθεται στο φως, το οποίο ο Carter περιγράφει ως «ένα άνευ προηγουμένου φυσικό φαινόμενο» Απαιτούνται περαιτέρω πειράματα για να προσδιοριστεί ο λόγος.
Η νέα μελέτη “θέτει τα θεμέλια για να είναι σε θέση να κάνει χημεία σε πολύ μικρές ποσότητες”, δήλωσε ο Κάρτερ. “Οι μέθοδοι μας θα επιτρέψουν σε άλλους να ωθήσουν τα όρια μελετώντας άλλα στοιχεία με τον ίδιο τρόπο.”
Η έρευνα της ομάδας θα μπορούσε επίσης να διευκολύνει τη δημιουργία αϊνστάινιουμ στο μέλλον. Σε αυτήν την περίπτωση, το αϊνστάινιουμ θα μπορούσε ενδεχομένως να χρησιμοποιηθεί ως στοιχείο στόχος για τη δημιουργία ακόμη βαρύτερων στοιχείων, συμπεριλαμβανομένων των μη ανακαλυφθέντων όπως το υποθετικό στοιχείο 119, που ονομάζεται επίσης unennenium. Ένας από τους απώτερους στόχους για ορισμένους χημικούς θα ήταν τότε να ανακαλύψουμε υποθετικά υπερβαριά στοιχεία που έχουν ημιζωή λεπτών ή και ημερών που σημαίνει ότι “ζουν” σε αυτό το νησί σταθερότητας, σε σύγκριση με τα μικροδευτερόλεπτα το πολύ για τον χρόνο ημιζωής του άλλα βαριά στοιχεία.
Η μελέτη δημοσιεύθηκε στις 3 Φεβρουαρίου στο περιοδικό Nature.