Periyodik tablo bilimin zaferlerinden biridir. Bazı unsurlar keşfedilmeden önce bile, bu grafik kitlelerini, yoğunluklarını, diğer unsurlarla nasıl bağlantı kuracaklarını ve bir dizi başka mülkle nasıl bağlantı kuracaklarını başarıyla tahmin edebilir.
Ancak, büyük atomların protonlarla dikişlerde pratik olarak patladığı periyodik tablonun altında, öngörücü gücü bozulmaya başlayabilir. En ağır unsurların kimyasını, özellikle de 103’ten fazla protona sahip olan süper elementlerin kimyasını incelemek için deneyler uzun süredir zor oldu.
Özel tesisleri kullanmasına rağmen, araştırmacılar deneylerde ürettikleri moleküler türleri kesin olarak tanımlayamadılar. Bilim adamları, gözlemlenen kimya hakkındaki kesin bilgiden ziyade eğitimli tahminlere güvenmek zorunda oldukları için bu belirsizlik alandaki ilerlemeyi engellemiştir.
Şimdi, araştırmacılar, ağır ve süper elementler içeren molekülleri yapmak ve doğrudan tespit etmek için yeni bir teknik geliştirmek için Enerji Bölümü Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı (Berkeley Lab) 88 inç siklotonu kullandılar.
Bugün dergide yayınlanan bir çalışmada DoğaBerkeley Lab, UC Berkeley ve Alabama Üniversitesi’nden bir araştırmacı ekibi, yöntemi Nobelium, element 102 içeren moleküller oluşturmak için kullandılar. Bilim adamları ilk kez 99’dan büyük bir element içeren bir molekülü ölçtü.
Berkeley laboratuvarındaki bilim adamı ve gazetenin baş yazarı Jennifer Pore, “Gerçekten heyecan verici olan, bunun bir sonraki nesil Atom’un kimya çalışmalarına kapıyı açmasıdır-bu yüzden süper elementlerin kimyasına bakmak ve periyodik tablodaki doğru pozisyonlarda olup olmadıklarını sormaktır,” dedi Berkeley Lab’ın bilim adamı ve gazetenin baş yazarı. “Sanırım süper element kimyasının nasıl yapıldığını tamamen değiştireceğiz.”
Ekibin kurulumu ayrıca aktinyum, eleman 89 içeren moleküller üretti. Bu, aynı anda aktinide serisinin uçlarını, 89 ila 103 elementlerini kapsayan periyodik tablodaki grupları, bir veya daha fazla su veya azot molekülleri ile ne sıklıkta bağlandıklarını ve aynı şekilde akiniklerin ne sıklıkta bağlandığını ve aynı şekilde aynı şekilde intercitice hakkında yeni bilgi sağladığını ve nasıl çalışmalarını sağladı.
“Bu, ilk kez erken bir aktinitin geç bir aktinit elementle doğrudan bir karşılaştırmasını yaptı.” Dedi. Diyerek şöyle devam etti: “Kimya sonuçlarının hiçbirine şaşırmadık – trend için mantıklı olana uyuyorlar. Ama aynı anda bir atom ürettiğimiz bu şeylerin kimyasını görebildiğimiz ve moleküler türleri doğrudan gözlemlediğimiz gerçeği gerçekten heyecan vericiydi.”
Araştırmacılara sürpriz olan şey, ilk etapta nobelium moleküllerini ne kadar zahmetsizce yaptıklarıydı.
Beklenmedik moleküller
Deney için orijinal plan şöyle gitti: 88 inç siklotron, bir kalsiyum izotopunu bir Thulium ve kurşun hedefine dönüştürecek ve ilgilenilen aktinitleri içeren bir parçacık spreyi üretecekti. Berkeley gaz ayırıcı, ekstra parçacıkları temizleyerek sadece aktinyum ve nobelium’u koni şeklinde bir gaz yakalayıcıya gönderecekti. Bu huni süpersonik hızlarda çıkarken, gaz genişleyecek ve moleküller oluşturmak için başka bir reaktif gaz jeti ile etkileşime girecekti. Elektrotlar daha sonra bu molekülleri, kütlelerini ölçebilen ve tam olarak hangi moleküllerin oluştuğunu belirleyebilen son teknoloji bir spektrometre olan Fiona’ya hızlandırır.
Ancak araştırmacılar reaktif gazlarını enjekte etme şansı olmadan önce beklenmedik bir şey fark ettiler: dedektörlerinde nobelium içeren molekülleri zaten kaydediyorlardı. Fiona içindeki sadece minik miktarlarda bulunan başıboş nitrojen ve su, nobelium atomları ile birleşmişti.
Berkeley laboratuvarında nükleer bilim adamı ve makalenin ortak yazarı Jacklyn Gates, “İstemeden önce deneyde molekül yapamayacağımızı varsaydık.” Dedi. “Yaptığımız gerçeği önemli bir nokta, çünkü bir zamandan başka hiçbir kimya kurulumlarının molekül tanımlama mevcudiyeti yoktur ve her zaman molekül yapmadıklarını varsaydılar.”
Araştırmacılar daha önce, sistemlerindeki gazı temizlemek için katı süreçlerin önemsiz miktarda su ve azot molekülünü geride bırakacağını ve bu bağları kırmak ve molekülleri istemeden reform için yeterli enerji olmayacağını düşünmüşlerdi. Ama durum böyle değildi.
“Burada yaptığımız molekül türleri için bağları kırmak zorunda değilsiniz. Metal iyonları suyu buluyor ve bu moleküler türleri oluşturmak için birbirine yapışıyorlar.” Dedi. Diyerek şöyle devam etti: “Superheavy-element çalışmaları için potansiyel etkiler var, çünkü temiz kurulumumuzla bile çok fazla molekül yaptık. Bu sonuçla, araştırmacılar sistemlerinde gerçekte ne yaptıklarını daha dikkatli düşünmek zorunda kalacaklar.”
Beklenmedik molekül oluşumu, flerovium, element 114, asil bir gaz gibi davranıp davranmadığını inceleyen önceki çelişkili deneylerin açıklanmasına yardımcı olabilir (elektronlarının düzenlenmesi nedeniyle diğer malzemelerle etkileşime girmeme eğilimi gösteren elemanlar). Bu keşif ayrıca 113 ve 115 elementleri üzerindeki son çalışmaların yorumlanmasına yeni bir ışık tutabilir ve Superheavy elementlerinin gelecekteki tüm gaz fazı çalışmalarını bilgilendirebilir.
Muhteşem Fiona
Nobelium moleküllerinin beklenmedik keşfinden sonra, araştırma ekibi geçici olarak orijinal deneylerinden yönlendirildi. Kurulumlarını 10 gün boyunca kesintisiz olarak çalıştırdılar ve aktinyum veya nobeliumdan yapılmış yaklaşık 2.000 molekül topladılar. Bu ağır element kimya standartlarına göre büyük bir miktar, ama yine de inanılmaz derecede küçük bir sayı. Karşılaştırma için, bir damla su bir sextillion’dan fazla (1’dir ve ardından 21 sıfır) molekül içerir.
“Bu, çoğu insanın düşündüğü geleneksel kimyadan çok farklıdır, çok fazla sıvı olan beherleriniz olduğu.” Dedi. “İnsan gözünün tespit edebileceğinin çok ötesinde son derece az miktarda malzeme ile çalışıyoruz. Bu küçük örneklerden anlamlı bilgiler çıkarma yeteneği çok önemlidir. Fiona, daha önce yapılan her şeyden çok daha hızlı ve daha hassastır. Bu önemlidir, çünkü çalıştığımız her şey radyoaktif ve sadece birkaç saniye veya daha az bir süre yoktur.”
Araştırmacılar, daha ağır ve daha ağır unsurların kimyasını incelemek için harekete geçtikleri için duyarlılık ve hız esastır, bu da daha büyük hale geldikçe giderek daha zor ve çürümesi daha hızlı büyürler. Önceki teknikler yaklaşık 1 saniye boyunca yaşayan moleküllerle sınırlı olsa da, ekibin deney kurulumu sadece 0.1 saniye hayatta kalanları inceleyebilir ve deneyciler, parçacıkların sürecin her aşamasında ne kadar süre hapsedildiğini kontrol eder.
Önceki deneyler, süper bir elementli bir molekül çürüydüğünde yapılan ikincil partikülleri ölçtü – ancak tam orijinal kimyasal türleri tanımlayamadılar. Çoğu ölçüm bir dizi olası molekül bildirmiştir ve daha iyi bilinen elementlerden gelen varsayımlara dayanmaktadır. Yeni yaklaşım, molekülleri kitlelerini ölçerek doğrudan tanımlayan ve bu tür varsayımlara olan ihtiyacı ortadan kaldıran ilk yaklaşımdır.
Gates, “Fiona gerçekten kimya için gizli sos ve Fiona kimya yapmak için tasarlanmadı.” Dedi. “Sadece kütle ölçümleri yapmak için tasarlandı, bu yüzden eğlenceli bir yan koşuşturma gibi. Bu kimya çalışmalarını sisteme çok az değişiklik yaparak yapabiliriz ve moleküler türleri tanımlamak için bu benzersiz yeteneğe sahibiz. Bu tekniği kullanarak ortaya çıkan birçok yeni, heyecan verici sonuç olacak.”
Araştırmacılar, periyodik tablonun altındaki temel kimyayı ortaya çıkarmak için atomları flor içeren gazlar ve kısa zincirli hidrokarbonlarla eşleştirerek yaklaşımlarını birkaç erken süper elementle kullanmayı planlıyorlar.
Daha iyi modeller, daha iyi ilaç
Ağır ve süper unsurların daha iyi anlaşılmasının çeşitli faydaları vardır. Deneyler, periyodik tabloda doğru bir şekilde gruplandığından ve öngörücü gücünü geliştirdiklerinden emin olarak elemanların kimyalarını kontrol edebilir. Aynı zamanda, araştırmacılar atom modellerini ve oyunda temel güçleri de değerlendiriyorlar.
Daha ağır elementlerdeki garip kimyasal davranış kısmen “göreceli etkiler” den kaynaklanmaktadır. Çekirdekteki çok sayıda proton, iç elektronları çekerek onları hızlandıran yoğun bir yük oluşturur. Bazı elektronlar atomun merkezine doğru emilirken, bazı dış elektronları çekmeden korurlar. Bu etkiler bir elemanın kimyasının beklenmedik şekillerde davranmasına neden olabilir. (Altın rengi, diğer birçok metalin griden farklı, böyle bir örnektir.)
“Elektronlar, bu büyük göreceli etkilere sahip olduğunuz elementlerde çok farklı davranır ve etkinin süper unsurlarda daha da güçlü olması beklenmektedir.” Dedi. Diyerek şöyle devam etti: “Bu yüzden potansiyel olarak periyodik tabloda doğru yerde olmayabilirler.”
Özellikle tıbbi tedavide kullanılan radyoaktif izotopların iyileştirilmesinde pratik uygulamalar da vardır. Büyük ilgi alanları, belirli metastatik kanserlerin tedavisinde umut verici sonuçlar gösteren bir aktinyum izotopudur (aktinyum-225). Bununla birlikte, izotopun yapılması zordur ve her yıl sadece küçük miktarlarda mevcuttur, klinik çalışmalara ve tedaviye erişimi sınırlar. Bilim adamları kimyasını anlamaya başlıyor.
Pore, “İnsanlar, hastalara nasıl ulaşılacağını anlamak için temel kimya adımını atlamak zorunda kaldılar.” Dedi. “Ancak bu radyoaktif elementlerin kimyasını daha iyi anlayabilseydik, kanser tedavisi için gereken spesifik molekülleri üretmek için daha kolay bir zamanımız olabilir.”
