Un team di ricerca internazionale ha acquisito nuove conoscenze sulle proprietà chimiche dell'elemento superpesante flerovium, l'elemento 114, presso le strutture dell'acceleratore del GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung a Darmstadt. Le misurazioni mostrano che il flerovium è il metallo più volatile nella tavola periodica. Il flerovium è quindi l'elemento più pesante della tavola periodica che è stato studiato chimicamente.

Con i risultati, pubblicati sulla rivista Frontiers in Chemistry , GSI contribuisce allo studio della chimica degli elementi superpesanti e apre nuove prospettive per la struttura internazionale FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research), attualmente in costruzione.

Sotto la guida di gruppi di Darmstadt e Mainz, i due isotopi di flerovium più longevi attualmente conosciuti, flerovium-288 e flerovium-289, sono stati prodotti utilizzando le strutture dell'acceleratore presso GSI/FAIR e sono stati studiati chimicamente presso la configurazione sperimentale TASCA. Nella tavola periodica, il flerovium è posto sotto il piombo di metallo pesante.

Tuttavia, le prime previsioni avevano postulato che gli effetti relativistici dell'elevata carica nel nucleo dell'elemento superpesante sui suoi elettroni di valenza avrebbero portato a un comportamento simile a quello dei gas nobili, mentre quelli più recenti avevano piuttosto suggerito un comportamento debolmente metallico. Due esperimenti di chimica condotti in precedenza, uno dei quali al GSI di Darmstadt nel 2009, hanno portato a interpretazioni contraddittorie.

Mentre i tre atomi osservati nel primo esperimento sono stati usati per dedurre un comportamento simile a quello dei gas nobili, i dati ottenuti al GSI indicavano un carattere metallico basato su due atomi. I due esperimenti non sono stati in grado di stabilire chiaramente il carattere. I nuovi risultati mostrano che, come previsto, il flerovium è inerte ma in grado di formare legami chimici più forti dei gas nobili, se le condizioni sono idonee. Il flerovium è di conseguenza il metallo più volatile della tavola periodica.

Il flerovium è quindi l'elemento chimico più pesante il cui carattere è stato studiato sperimentalmente. Con la determinazione delle proprietà chimiche GSI/FAIR si confermano leader nella ricerca degli elementi superpesanti.

"L'esplorazione dei confini della tavola periodica è stato un pilastro del programma di ricerca del GSI sin dall'inizio e lo sarà anche in futuro a FAIR. Il fatto che pochi atomi possano già essere utilizzati per esplorare le prime proprietà chimiche fondamentali, dando un'indicazione di come si comporterebbero quantità maggiori di queste sostanze è affascinante e possibile grazie alla potente struttura dell'acceleratore e all'esperienza della collaborazione mondiale", afferma il professor Paolo Giubellino, Direttore Scientifico di GSI e FAIR. "Con FAIR portiamo l'universo in laboratorio ed esploriamo i limiti della materia, anche degli elementi chimici."

Sei settimane di sperimentazione

Gli esperimenti condotti presso GSI/FAIR per chiarire la natura chimica del flerovium sono durati in totale sei settimane. A tale scopo, quattro trilioni di ioni calcio-48 sono stati accelerati al dieci percento della velocità della luce ogni secondo dall'acceleratore lineare GSI UNILAC e sparati contro un bersaglio contenente plutonio-244, determinando la formazione di pochi atomi di flerovium al giorno.

Gli atomi di flerovium formati si sono ritirati dal bersaglio nel separatore riempito di gas TASCA. Nel suo campo magnetico, gli isotopi formati, flerovium-288 e flerovium-289, che hanno una durata dell'ordine di un secondo, sono stati separati dall'intenso fascio di ioni calcio e dai sottoprodotti della reazione nucleare. Sono penetrati in una pellicola sottile, entrando così nell'apparato chimico, dove sono stati fermati in una miscela di gas elio/argon.

Questa miscela di gas ha scaricato gli atomi nell'apparato di gascromatografia COMPACT, dove sono entrati in contatto per la prima volta con le superfici di ossido di silicio. Se il legame con l'ossido di silicio era troppo debole, gli atomi venivano trasportati ulteriormente, su superfici d'oro, prima quelle mantenute a temperatura ambiente, e poi su quelle sempre più fredde, fino a circa -160 °C.

Le superfici sono state depositate come un sottile rivestimento su speciali rivelatori di radiazioni nucleari, che hanno registrato singoli atomi mediante il rilevamento risoluto nello spazio del decadimento radioattivo. Poiché i prodotti di decadimento subiscono un ulteriore decadimento radioattivo dopo una breve vita, ogni atomo lascia una firma caratteristica di diversi eventi da cui si può dedurre inequivocabilmente la presenza di un atomo di flerovium.

Un atomo alla settimana per la chimica

"Grazie alla combinazione del separatore TASCA, alla separazione chimica e al rilevamento dei decadimenti radioattivi, nonché allo sviluppo tecnico dell'apparato per la gascromatografia sin dal primo esperimento, siamo riusciti ad aumentare l'efficienza e ridurre i tempi necessari per la separazione chimica a tal punto che siamo stati in grado di osservare un atomo di flerovium ogni settimana", spiega il dott. Alexander Yakushev di GSI/FAIR, portavoce della collaborazione internazionale per gli esperimenti.

Nell'analisi dei dati sono state trovate sei di queste catene di decadimento. Poiché la configurazione è simile a quella del primo esperimento GSI, i dati appena ottenuti potrebbero essere combinati con i due atomi osservati in quel momento e analizzati insieme.

Nessuna delle catene di decadimento è apparsa nell'intervallo del rivelatore rivestito di ossido di silicio, indicando che il flerovium non forma un legame sostanziale con l'ossido di silicio. Invece, tutti sono stati trasportati con il gas nella parte rivestita d'oro dell'apparato in meno di un decimo di secondo.

Gli otto eventi formavano due zone:una prima nella regione della superficie dell'oro a temperatura ambiente, e una seconda nella parte successiva del cromatografo, a temperature così basse che uno strato molto sottile di ghiaccio ricopriva l'oro, cosicché si verificava l'adsorbimento sul ghiaccio.

Da esperimenti con atomi di piombo, mercurio e radon, che fungevano da rappresentanti di metalli pesanti, metalli debolmente reattivi e gas nobili, si sapeva che il piombo forma un forte legame con l'ossido di silicio, mentre il mercurio raggiunge il rivelatore d'oro. Il radon vola anche sopra la prima parte del rivelatore d'oro a temperatura ambiente e viene trattenuto solo parzialmente alle temperature più basse. I risultati del Flerovium potrebbero essere confrontati con questo comportamento.

Apparentemente, sono stati osservati due tipi di interazione di una specie di flerovium con la superficie dell'oro. La deposizione sull'oro a temperatura ambiente indica la formazione di un legame chimico relativamente forte, che non si verifica nei gas nobili. D'altra parte, sembra che alcuni degli atomi non abbiano mai avuto l'opportunità di formare tali legami e siano stati trasportati su lunghe distanze della superficie dell'oro, fino alle temperature più basse.

Questa gamma di rivelatori rappresenta una trappola per tutte le specie elementari. Questo comportamento complicato può essere spiegato dalla morfologia della superficie dell'oro:è costituita da piccoli grappoli d'oro, ai confini dei quali si verificano siti molto reattivi, che apparentemente consentono al flerovium di legarsi. Il fatto che alcuni degli atomi di flerovium siano stati in grado di raggiungere la regione fredda indica che solo gli atomi che incontravano tali siti formavano un legame, a differenza del mercurio, che in ogni caso veniva trattenuto sull'oro.

Pertanto, la reattività chimica del flerovium è più debole di quella del mercurio metallico volatile. I dati attuali non possono escludere del tutto la possibilità che la prima zona di deposizione sull'oro a temperatura ambiente sia dovuta alla formazione di molecole di flerovium. Ne consegue anche da questa ipotesi, però, che il flerovium è chimicamente più reattivo di un elemento gas nobile.

L'esotico materiale bersaglio di plutonio per la produzione del flerovium è stato fornito in parte dal Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), Stati Uniti. Nel sito TRIGA del Dipartimento di Chimica dell'Università Johannes Gutenberg di Mainz (JGU), il materiale è stato depositato elettroliticamente su titanio sottile lamine fabbricate presso GSI/FAIR.

"Non c'è molto di questo materiale disponibile nel mondo e siamo fortunati ad essere stati in grado di usarlo per questi esperimenti che altrimenti non sarebbero stati possibili", ha affermato la dott.ssa Dawn Shaughnessy, capo della divisione di scienze nucleari e chimiche presso LLNL. "Questa collaborazione internazionale riunisce competenze e competenze provenienti da tutto il mondo per risolvere problemi scientifici difficili e rispondere a domande di vecchia data, come le proprietà chimiche del flerovium."

"Il nostro esperimento sull'acceleratore è stato completato da uno studio dettagliato della superficie del rivelatore in collaborazione con diversi dipartimenti GSI, nonché con il Dipartimento di Chimica e l'Istituto di Fisica della JGU. Questo si è rivelato essere la chiave per comprendere il carattere chimico del flerovium. Come di conseguenza, i dati dei due esperimenti precedenti sono ora comprensibili e compatibili con le nostre nuove conclusioni", afferma Christoph Düllmann, professore di chimica nucleare alla JGU e capo dei gruppi di ricerca del GSI e dell'Helmholtz Institute Mainz (HIM), un collaborazione tra GSI e JGU.

Il modo in cui gli effetti relativistici influiscono sui suoi vicini, gli elementi nihonium (elemento 113) e moscovium (elemento 115), anch'essi ufficialmente riconosciuti solo negli ultimi anni, è oggetto di esperimenti successivi. I dati iniziali sono già stati ottenuti nell'ambito del programma FAIR Phase 0 presso GSI. Inoltre, i ricercatori si aspettano che esistano isotopi significativamente più stabili del flerovium, ma questi non sono stati ancora trovati. Tuttavia, i ricercatori ora sanno già che possono aspettarsi di trovare un elemento metallico. + Esplora ulteriormente

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