Il supercomputer Titan presso l'Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) ha permesso agli scienziati di esplorare uno stato di ossidazione inaspettato nel raro, berkelio elemento radioattivo che è stato osservato per la prima volta nell'esperimento. L'OLCF è una struttura per gli utenti dell'Office of Science del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE).

Lo stato di ossidazione di un atomo è caratterizzato dal numero di elettroni che scambia per formare un composto e fornisce informazioni su come un elemento interagisce con l'ambiente circostante. Pubblicato ad aprile in Chimica della natura , lo studio sta aiutando a colmare le lacune nella comprensione fondamentale del berkelio e potrebbe avere applicazioni future per la separazione a bassa tossicità nella gestione dei rifiuti nucleari.

Gli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) hanno acquisito un minuscolo campione del più comune isotopo del berkelio, Bk-249, dal DOE's Oak Ridge National Laboratory (ORNL) attraverso il DOE Isotope Program. per inciso, l'elemento e Berkeley Lab sono omonimi di Berkeley, California, dove l'elemento è stato scoperto nel 1949.

All'ORNL, isotopi radioattivi per la ricerca, compreso Bk-249, sono prodotti e purificati con il supporto del DOE Isotope Program, che ha recentemente contribuito a uno studio separato e molto pubblicizzato:la scoperta dell'elemento 117. Il nuovo elemento è stato ufficialmente chiamato "Tennesine" grazie, in parte, al ruolo di ORNL nel sintetizzare il berkelio richiesto per la sua creazione.

Sebbene il berkelio sia stato sintetizzato per la prima volta oltre 60 anni fa, il suo isotopo è prodotto in quantità così piccole e rimane stabile per un tempo così breve (meno di un anno) che la sua struttura fondamentale e le sue proprietà sono raramente studiate. La produzione di Bk-249 è anche un'impresa lunga che include molti passaggi precisi e l'esperienza di un intero staff di scienziati e ingegneri, ha affermato Julie Ezold del Nuclear Materials Processing Group dell'ORNL.

Uno sguardo raro al berkelio

Però, gli scienziati conoscono molte proprietà del berkelio. Con un numero atomico di 97, si verifica in una classe di elementi noti come attinidi, che sono metallici, elementi radioattivi con numero atomico compreso tra 89 e 103. Anche uranio e plutonio sono attinidi, tuttavia la maggior parte dei loro rispettivi isotopi hanno emivite molto più lunghe di Bk-249 ed emettono particelle alfa ad alta energia, mentre Bk-249 emette particelle beta di energia inferiore. I ricercatori del Berkeley Lab stanno usando cristallografia a raggi X ad alta potenza e spettrometria di massa per studiare la struttura chimica di Bk-249 e come può interagire con l'ambiente.

"Abbiamo studiato le proprietà spettroscopiche degli attinidi più pesanti per ottenere una comprensione più fondamentale di questi elementi, che hanno applicazioni nel ciclo del combustibile nucleare e nella gestione dei rifiuti, " ha detto Rebecca Abergel, ricercatore e ricercatore principale presso il Berkeley Lab e vincitore nel 2014 del premio DOE Office of Science Early Career Research Program.

Il team di chimici attinidi di Abergel, tra cui Gauthier Deblonde, ha lavorato a stretto contatto con i cristallografi proteici del laboratorio di Roland Strong presso il Fred Hutchinson Cancer Research Center.

Nel corso del loro lavoro sperimentale, La squadra di Abergel ha notato qualcosa di strano. Precedenti ricerche hanno mostrato tutti gli attinidi trans-plutonio (quelli con numero atomico maggiore del plutonio, o 94) per stabilizzarsi in uno stato di ossidazione +III, una proprietà che descrive come l'elemento crea legami chimici. Per esplorare i suoi confini chimici, gli scienziati hanno cercato di spingere il berkelio nello stato di ossidazione +IV usando sostanze chimiche altamente acide, ma l'effetto sebbene possibile, è fugace.

In questo studio, Il team di Abergel ha legato il Bk-249 a un ligando organico sintetizzato, che è una molecola che si lega a uno ione metallico centrale (in questo caso Bk-249) per formare un composto. Il team ha già utilizzato questo ligando sugli attinidi per la sua capacità di legarsi a quella classe di elementi. Catturando la struttura del Bk-249 mentre è legato al ligando, i ricercatori si aspettavano di saperne di più sulle proprietà strutturali e chimiche del berkelio, compreso il suo stato di ossidazione +III.

"Utilizziamo molecole naturali, o ligandi, fatto da batteri per legarsi agli attinidi. Un paio di queste molecole sono legate da proteine, quindi ti ritrovi con un sistema che include una proteina, legante, e metallo (l'actinide) legati insieme, " ha detto Abergel. "In questo caso, la proteina non si è legata al complesso metallo-ligando, indicando uno stato di ossidazione +IV."

A differenza delle sostanze chimiche acide, un ligando organico potrebbe offrire un'alternativa più naturale e più semplice per le applicazioni di gestione dei rifiuti.

La simulazione conferma l'esperimento

Per aiutare a far luce sugli interessanti risultati sperimentali, Il team di Abergel si è rivolto allo scienziato computazionale Wibe (Bert) de Jong, Chimica Computazionale, Leader del gruppo Materiali e Clima presso il Berkeley Lab. Nell'ambito di un progetto innovativo e innovativo sull'impatto computazionale sulla teoria e l'esperimento su larga scala incentrato sulla chimica fondamentale degli attinidi guidato da David Dixon presso l'Università dell'Alabama, de Jong ha utilizzato il sistema Titan da 27 petaflop presso l'OLCF per simulare il legame di Bk-249 al ligando, quindi ha generato i dati di spettroscopia corrispondenti.

"La chimica degli attinidi è un campo difficile in generale con pochissimi dati sperimentali disponibili, " ha detto de Jong. "L'informatica aiuta molto verificando i risultati sperimentali, informare la progettazione di nuovi esperimenti, o serve come sostituto degli esperimenti in modo che i ricercatori non debbano occuparsi della radioattività".

Le simulazioni su Titano e il Cray XC30 Eos a 736 nodi dell'OLCF includevano circa 100 atomi, catturando come Bk-249 si lega al ligando in entrambi gli stati di ossidazione +III e +IV. Lo studio computazionale ha utilizzato NWChem, un codice di chimica computazionale scalabile che può essere eseguito in modo efficiente su migliaia di processori di computer. Per calcolare il gran numero di stati eccitati presenti in sistemi molecolari come il composto di metallo e ligando in questo studio, il team ha fatto affidamento su progressi significativi in ​​NWChem che sono stati sviluppati come parte di un progetto Scientific Discovery through Advanced Computing (SciDAC) guidato da Chris Cramer presso l'Università del Minnesota, per il quale de Jong è un co-investigatore principale.

"Dopo aver fatto i calcoli, abbiamo generato spettri che potremmo confrontare direttamente con quelli generati dagli esperimenti di Abergel, " ha detto de Jong.

Traducendo i dati computazionali in come apparirebbero come dati sperimentali, i ricercatori sono stati in grado di confermare di aver effettivamente osservato uno stato di ossidazione +IV nell'esperimento.

"Il ligando in realtà permette al berkelio di ossidarsi da +III a +IV, quindi questo ci dice molto su come gli ambienti possono cambiare la fisica e la chimica degli elementi attinidi, " ha detto de Jong.

I ricercatori stanno pianificando di utilizzare più modelli e simulazioni computazionali nelle estensioni di questo studio.

"Lo abbiamo esteso all'intera serie di attinidi per comprendere la tendenza sistemica per il legame in questa serie, " ha detto Abergel. "Siamo solo all'inizio di questo, ma significa che stiamo ottenendo una migliore comprensione di come la chimica influenza il modo in cui l'elemento interagisce con l'ambiente".