Gli elementi pesanti noti come attinidi sono materiali importanti per la medicina, energia, e difesa nazionale. Ma anche se i primi attinidi furono scoperti dagli scienziati del Berkeley Lab più di 50 anni fa, non sappiamo ancora molto sulle loro proprietà chimiche perché ogni anno vengono prodotte solo piccole quantità di questi elementi (o isotopi) altamente radioattivi; sono costosi; e la loro radioattività li rende difficili da maneggiare e conservare in sicurezza.

Ma quegli enormi ostacoli alla ricerca sugli attinidi potrebbero un giorno essere un ricordo del passato. Gli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e dell'UC Berkeley del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno dimostrato come un microscopio elettronico leader a livello mondiale possa visualizzare campioni di attinidi piccoli come un singolo nanogrammo (un miliardesimo di grammo), una quantità che è parecchio ordini di grandezza inferiori a quelli richiesti dagli approcci convenzionali.

I loro risultati sono stati recentemente riportati in Comunicazioni sulla natura , e sono particolarmente significativi per la co-autrice Rebecca Abergel (abergel.lbl.gov/), il cui lavoro sui chelanti, molecole che legano i metalli, ha portato a nuovi progressi nelle terapie contro il cancro, imaging medico, e contromisure mediche contro le minacce nucleari, tra gli altri. Abergel è uno scienziato della facoltà che guida il programma di chimica degli elementi pesanti nella divisione di scienze chimiche del Berkeley Lab, e assistente professore in ingegneria nucleare presso l'UC Berkeley.

"Ci sono ancora così tante domande senza risposta per quanto riguarda il legame chimico nella serie degli attinidi. Con una strumentazione così all'avanguardia, siamo finalmente in grado di sondare la struttura elettronica dei composti attinidi, e questo ci consentirà di affinare i principi di progettazione molecolare per vari sistemi con applicazioni in medicina, energia, e sicurezza, " ha detto Abergel.

"Abbiamo dimostrato che puoi lavorare con meno materiale, un nanogrammo, e ottenere gli stessi dati, se non migliori, senza dover investire in strumenti dedicati per i materiali radioattivi, " ha detto il co-autore senior Andy Minor, direttore della struttura del Centro nazionale per la microscopia elettronica presso la fonderia molecolare del Berkeley Lab, e professore di scienza e ingegneria dei materiali alla UC Berkeley.

Consentire ai ricercatori di lavorare con solo un nanogrammo di un campione di attinidi ridurrà significativamente i costi elevati degli esperimenti condotti utilizzando metodi precedenti. Un grammo di attinide berkelio può costare 27 milioni di dollari a bocca aperta, Per esempio. Un campione di attinidi che è solo un nanogrammo riduce anche l'esposizione alle radiazioni e i rischi di contaminazione, Minore aggiunto.

In una serie di esperimenti al TEAM 0.5 (microscopio corretto per l'aberrazione elettronica a trasmissione), un microscopio elettronico a risoluzione atomica presso la Molecular Foundry, i ricercatori hanno ripreso singoli atomi di berkelio e californio per dimostrare quanto meno materiale di attinidi è necessario con il loro approccio.

In un'altra serie di esperimenti che utilizzano EELS (spettroscopia a perdita di energia elettronica), una tecnica per sondare la struttura elettronica di un materiale, i ricercatori sono rimasti sorpresi di osservare nel berkelio un debole "accoppiamento spin-orbita, " un fenomeno che può influenzare il modo in cui un atomo di metallo si lega alle molecole. "Questo non era mai stato segnalato prima, " ha detto il co-autore Peter Ercio, uno scienziato dello staff della Molecular Foundry che supervisiona il microscopio TEAM 0.5. "È come trovare un ago in un pagliaio. È incredibile quello che abbiamo potuto vedere".

Il co-autore principale Alexander Müller attribuisce all'approccio interdisciplinare "team science" del Berkeley Lab il merito di aver riunito i migliori esperti mondiali di microscopia elettronica, chimica degli elementi pesanti, ingegneria nucleare, e scienza dei materiali per lo studio.

"Poiché il Berkeley Lab attrae ricercatori straordinari da tutti i campi della scienza, tale lavoro collaborativo interdisciplinare viene qui naturale, " ha detto. "Personalmente ho trovato questo aspetto molto gratificante per questo progetto. E ora che abbiamo stabilito questo approccio, possiamo perseguire molte nuove direzioni nella ricerca sugli attinidi." Müller era uno studioso post-dottorato presso la Molecular Foundry del Berkeley Lab e il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali dell'UC Berkeley al momento dello studio. Ora è associato presso il Munich, Germania, ufficio di Kearney, una società di consulenza manageriale internazionale.

I protocolli di sicurezza in essere per la ricerca hanno previsto la preparazione dei campioni in laboratori dedicati e un attento rilevamento delle aree di lavoro. Poiché i campioni sono stati preparati con quantità minuscole (1-10 nanogrammi) di ciascun isotopo, anche i rischi di contaminazione per le apparecchiature sono stati ridotti al minimo, hanno detto i ricercatori.

I ricercatori sperano di applicare il loro approccio allo studio di altri attinidi, compreso attinio, einsteinio, e fermio.

"Più informazioni otteniamo da queste minuscole quantità di elementi radioattivi, più saremo attrezzati per far progredire nuovi materiali per la radioterapia contro il cancro e altre utili applicazioni, " disse Minore.

I coautori del documento includono l'ex studioso post-dottorato del Berkeley Lab Gauthier Deblonde (autore principale), ora ricercatore presso il Lawrence Livermore National Laboratory, e Steven Zeltmann, uno studente laureato presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali della UC Berkeley.