A meno che non venga scoperto gas radon durante un'ispezione domestica, la maggior parte delle persone rimane beatamente inconsapevole che rocce come il granito, minerali metallici, e alcuni suoli contengono sorgenti di radiazioni naturali. Nella maggior parte dei casi, bassi livelli di radiazioni non sono un problema per la salute. Ma alcuni scienziati e ingegneri sono preoccupati anche per i livelli di radiazioni in tracce, che possono devastare le apparecchiature sensibili. L'industria dei semiconduttori, ad esempio, spende miliardi ogni anno per procurarsi e "pulire" i livelli ultra-traccia di materiali radioattivi dai microchip, transistor e sensori sensibili.

Ora i chimici del Pacific Northwest National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno sviluppato un metodo semplice e affidabile che promette di trasformare il modo in cui gli elementi ultra-traccia vengono separati e rilevati. Bassi livelli di fastidiosi elementi radioattivi presenti in natura come atomi di uranio e torio sono spesso nascosti tra metalli preziosi come oro e rame. È stato straordinariamente difficile, poco pratico, o addirittura impossibile, in alcuni casi, per scoprire quanto si trova nei campioni di minerale estratto in tutto il mondo.

Tuttavia, l'approvvigionamento di materiali con livelli molto bassi di radiazioni naturali è essenziale per alcuni tipi di strumenti e rilevatori sensibili, come quelli che cercano prove di particelle attualmente non rilevate che molti fisici credono in realtà comprendano la maggior parte dell'universo.

"Stiamo davvero spingendo la busta sul rilevamento, " ha detto il chimico Khadouja Harouaka. "Vogliamo misurare livelli molto bassi di torio e uranio in componenti che entrano in alcuni dei rivelatori più sensibili al mondo. È particolarmente difficile misurare bassi livelli di torio e uranio in metalli preziosi come l'oro che entra nei componenti elettrici di questi rivelatori. Con questa nuova tecnica, possiamo superare questa sfida e raggiungere limiti di rilevamento a partire da 10 parti per trilione in oro".

È come cercare di trovare un quadrifoglio in circa 100 mila acri di trifoglio, un'area più grande di New Orleans.

Mondi di particelle in collisione

Gli scienziati localizzano i loro atomi "quadrifoglio" straordinariamente rari dall'enorme campo di atomi ordinari inviando i loro campioni attraverso una serie di camere di isolamento. Queste camere prima filtrano e poi fanno scontrare i rari atomi con il semplice ossigeno, creando una molecola "etichettata" di un peso molecolare unico che può quindi essere separata dalla sua dimensione e carica.

L'effetto è come trovare un modo per legare un palloncino di elio a ciascun atomo di torio o uranio bersaglio in modo che galleggi sopra il mare di campione d'oro e possa essere contato. In questo caso, il sofisticato contatore è uno spettrometro di massa. La ricerca è dettagliata in un recente numero del Journal of Analytical Atomic Spectroscopy.

L'innovazione centrale è la camera della cella di collisione, dove gli atomi carichi di torio e uranio reagiscono con l'ossigeno, aumentando il loro peso molecolare e permettendo loro di separarsi da altri segnali sovrapposti che possono mascherare la loro presenza.

"Ho avuto un momento aha, " ha detto Greg Eiden, l'originale inventore PNNL della cella di collisione brevettata, che viene utilizzato per eseguire queste reazioni, riducendo così le interferenze indesiderate nella lettura dello strumento di un fattore di un milione. "Era questa chimica miracolosa che elimina le cose cattive che non vuoi nel tuo campione in modo da poter vedere ciò che vuoi vedere".

Nello studio attuale, Harouaka e il suo mentore Isaac Arnquist hanno sfruttato il lavoro di Eiden per scoprire il numero esiguo di atomi radioattivi che possono comunque rovinare le apparecchiature di rilevamento elettronico sensibili.

Tra gli altri usi, l'innovazione può consentire ai chimici, guidato dal chimico senior Eric Hoppe e dal suo team al PNNL, per affinare ulteriormente la chimica che produce il rame elettroformato più puro al mondo. Il rame costituisce un componente chiave dei rivelatori fisici sensibili, compresi quelli utilizzati per la verifica del trattato nucleare internazionale.

Tour di ascolto dei neutrini

Il fisico di Stanford Giorgio Gratta aiuta a condurre una ricerca globale per acquisire prove per i mattoni fondamentali dell'universo. L'esperimento nEXO, ora in fase di progettazione, sta spingendo i limiti di rilevamento per la prova di queste particelle sfuggenti, chiamato Majorana Fermions. I segnali che cercano provengono da eventi estremamente rari. Per rilevare un tale evento, gli esperimenti richiedono rivelatori squisitamente sensibili privi di segnali di radiazione vaganti introdotti attraverso i materiali che compongono il rivelatore. Ciò include i metalli nell'elettronica necessari per registrare gli eventi estremamente rari che attivano il rilevamento.

"PNNL è leader mondiale nel rilevamento di radiazioni ultra-traccia, " ha affermato Gratta. "Il loro mix unico di innovazione e applicazione fornisce un contributo importante che consente esperimenti sensibili come nEXO".

Il fisico Steve Elliott del Los Alamos National Laboratory ha sottolineato fino a che punto i ricercatori devono spingersi per garantire un ambiente scrupolosamente pulito per il rilevamento di particelle rare.

"Nei programmi sperimentali in cui anche le impronte digitali umane sono troppo radioattive e devono essere evitate, le tecniche per misurare i livelli di impurità radioattive ultrabassi sono fondamentali, " Egli ha detto, aggiungendo che questo metodo potrebbe fornire un modo importante per reperire materiali per un altro della prossima generazione di rivelatori di eventi di neutrini rari, chiamato LEGGENDA, in programma per l'impiego in un luogo sotterraneo in Europa.

Pulizia di semiconduttori e computer quantistici

semiconduttori, gli elementi di base dell'elettronica moderna, compresi i circuiti integrati, microchip, transistor, sensori e computer quantistici sono anche sensibili alla presenza di radiazioni vaganti. E il ciclo dell'innovazione richiede a ogni generazione di imballare sempre di più in microchip sempre più piccoli.

"Man mano che l'architettura diventa sempre più piccola, la contaminazione da radiazioni è un problema sempre più grande su cui i produttori hanno lavorato cambiando l'architettura all'interno dei chip, "disse Hoppe. "Ma c'è solo così lontano che puoi andare con quello, e inizi davvero a essere limitato dalla purezza di alcuni di quei materiali. L'industria si è prefissata degli obiettivi che in questo momento non può raggiungere, quindi avere una tecnica di misurazione come questa potrebbe rendere realizzabili alcuni di questi obiettivi".

Più in generale, Eiden ha aggiunto, "nel grande mondo della tavola periodica ci sono probabilmente applicazioni per qualsiasi elemento a cui tieni. E cosa Eric, Khadouja e Isaac stanno cercando di analizzare ogni traccia di impurità in qualsiasi materiale ultra puro".