Διεθνής ερευνητική ομάδα μετρά για πρώτη φορά την ισχύ ενός χημικού δεσμού με το σιμπόργκιο – αποτελέσματα που δημοσιεύθηκαν στο «Nature»
Μια διεθνής ερευνητική ομάδα με επικεφαλής επιστήμονες από το Κέντρο Έρευνας Βαρέων Ιόντων GSI Helmholtz και το FAIR στο Ντάρμσταντ πέτυχε μια αξιοσημείωτη μέτρηση: Για πρώτη φορά, προσδιορίστηκε πειραματικά η ισχύς ενός χημικού δεσμού σε μια ένωση με ένα υπερβαρύ στοιχείο. Τα αποτελέσματα παρέχουν νέες γνώσεις για το πώς αλλάζουν οι χημικές ιδιότητες των στοιχείων υπό ακραίες συνθήκες.
Το επίκεντρο της έρευνας ήταν το τεχνητά παραγόμενο στοιχείο σιμπόργκιο (Sg) με ατομικό αριθμό 106. Οι επιστήμονες εξέτασαν μια ένωση που αποτελείται από ένα άτομο σιμπόργκιο και έξι ομάδες μονοξειδίου του άνθρακα, το λεγόμενο εξακαρβονυλικό σύμπλοκο Sg(CO)₆.
Το εκπληκτικό αποτέλεσμα: Ο χημικός δεσμός είναι ασθενέστερος από ό,τι θα αναμενόταν με βάση τη θέση του στοιχείου στον περιοδικό πίνακα. Αυτό οφείλεται σε φαινόμενα που μπορούν να εξηγηθούν από τη θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν. Τα ερευνητικά ευρήματα δημοσιεύθηκαν στο φημισμένο επιστημονικό περιοδικό «Nature».
Όταν η θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν επηρεάζει τη χημεία
Τα υπερβαρέα στοιχεία με ατομικούς αριθμούς μεταξύ 104 και 118 δεν εμφανίζονται φυσικά σε επαρκείς ποσότητες για τέτοιες έρευνες. Πρέπει να παράγονται τεχνητά σε αντιδράσεις πυρηνικής σύντηξης σε επιταχυντές σωματιδίων.
Πρόκειται για μια πολύπλοκη διαδικασία: συχνά παράγονται μόνο λίγα άτομα την ημέρα. Επιπλέον, οι ατομικοί πυρήνες που προκύπτουν είναι εξαιρετικά ασταθείς και διασπώνται ραδιενεργά σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα.
Στο σιμπόργκιο, το υψηλό θετικό φορτίο του ατομικού πυρήνα επηρεάζει έντονα την κίνηση των ηλεκτρονίων. Τα ηλεκτρόνια κοντά στον πυρήνα φτάνουν σε ταχύτητες στις οποίες τα σχετικιστικά φαινόμενα παίζουν σημαντικό ρόλο.
Αυτό αλλάζει την ηλεκτρονική δομή του ατόμου. Αυτό, με τη σειρά του, επηρεάζει τον τρόπο με τον οποίο το στοιχείο σχηματίζει χημικούς δεσμούς με άλλα άτομα ή μόρια.
Το Seaborgium συμπεριφέρεται διαφορετικά από το αναμενόμενο
Στον περιοδικό πίνακα, το σιμπόργκιο ανήκει στην ίδια ομάδα στοιχείων με το χρώμιο, το μολυβδαίνιο και το βολφράμιο. Εντός αυτής της ομάδας, η ισχύς του χημικού δεσμού που μελετήθηκε αυξάνεται από το χρώμιο μέσω του μολυβδαινίου στο βολφράμιο.
Ακολουθώντας αυτό το μοτίβο, θα περίμενε κανείς ότι ο αντίστοιχος δεσμός θα ήταν ιδιαίτερα ισχυρός στο ακόμη βαρύτερο Seaborgium.
Ωστόσο, οι μετρήσεις έδειξαν το αντίθετο.
«Από το χρώμιο στο μολυβδαίνιο και στο βολφράμιο, η ισχύς του δεσμού αυξάνεται, επομένως θα πρέπει στην πραγματικότητα να είναι ισχυρότερη στο σιμπόργκιο. Ωστόσο, η μέτρηση δείχνει ότι ο υψηλός ατομικός αριθμός του σιμπόργκιου αλλάζει την ηλεκτρονική του δομή, γεγονός που αντιστρέφει την τάση και οδηγεί σε έναν ασθενέστερο δεσμό», εξηγεί ο Δρ. Αλεξάντερ Γιακούσεφ του GSI/FAIR, εκπρόσωπος της διεθνούς ερευνητικής συνεργασίας.
Οι κβαντοχημικοί υπολογισμοί που λαμβάνουν υπόψη τα σχετικιστικά φαινόμενα μπορούν να εξηγήσουν αυτήν την παρατήρηση. Απλούστερα μοντέλα χωρίς αυτά τα φαινόμενα, από την άλλη πλευρά, θα είχαν προβλέψει μια περαιτέρω αύξηση στην ισχύ του δεσμού.
Μόνο 75 άτομα σιβόργιου χρειάστηκαν για τη μελέτη
Η πειραματική έρευνα παρουσίασε στους ερευνητές ιδιαίτερες προκλήσεις, καθώς τα παραγόμενα άτομα σιβοργίου υπάρχουν μόνο για κλάσματα του δευτερολέπτου.
Το ισότοπο Seaborgium-259 παρήχθη στο GSI/FAIR στο Ντάρμστατ. Οι πυρηνικές καταστάσεις που μελετήθηκαν έχουν χρόνο ζωής μικρότερο από μισό δευτερόλεπτο.
Χρησιμοποιώντας την πειραματική διάταξη TASCA, τον διαχωριστή τρανσακτινιδίων και τη χημική συσκευή, τα παραγόμενα άτομα απομονώθηκαν και στη συνέχεια εισήχθησαν σε ατμόσφαιρα αερίου που περιείχε μονοξείδιο του άνθρακα.
Οι υπό έρευνα χημικές ενώσεις μπόρεσαν να σχηματιστούν εκεί. Δύο ανιχνευτές, τοποθετημένοι ο ένας πίσω από τον άλλον, χρησίμευαν για την καταγραφή των ραδιενεργών διασπάσεων των μεμονωμένων ατόμων και για τη διάκριση μεταξύ διαφορετικών προϊόντων αντίδρασης.
Συνολικά, οι ερευνητές ανίχνευσαν 75 άτομα σιμπόργκιου. Μόνο τρία από αυτά καταγράφηκαν στον ανιχνευτή για την ένωση εξακαρβονυλίου.
Για λόγους σύγκρισης, η ομάδα εξέτασε επίσης βραχύβια ισότοπα βολφραμίου. Σε αυτά, το 17% των ατόμων σχημάτισαν την αντίστοιχη ένωση.
Από αυτή τη διαφορά, οι επιστήμονες μπόρεσαν να συμπεράνουν ότι ο δεσμός που μελετήθηκε είναι περίπου τέσσερα κιλοτζάουλ ανά γραμμομόριο ασθενέστερος στο σιμπόργκιο από ό,τι στο βολφράμιο.
Χρόνια έρευνας οδήγησαν στην επιτυχία
Η ένωση Sg(CO)₆ συντέθηκε για πρώτη φορά πριν από περίπου δέκα χρόνια στο Κέντρο RIKEN Nishina στην Ιαπωνία. Επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο Johannes Gutenberg στο Μάιντς και το GSI/FAIR ήταν μεταξύ εκείνων που συμμετείχαν στο πείραμα εκείνη την εποχή.
Ακόμα και τότε, η ένωση θεωρούνταν πολλά υποσχόμενη για τη διερεύνηση της ισχύος των χημικών δεσμών. Ωστόσο, οι αρχικές προσπάθειες για τον πραγματικό προσδιορισμό αυτών των δυνάμεων ήταν ανεπιτυχείς.
Μόνο ο συνδυασμός ταχέων μεθόδων χημικής σύνθεσης, υψηλών αποδόσεων και ευαίσθητων μεθόδων ανίχνευσης για ραδιενεργές διασπάσεις έχει πλέον καταστήσει δυνατή την επιτυχή μέτρηση.
Διεθνής συνεργασία ως βάση
Ο καθηγητής Christoph E. Düllmann, επικεφαλής των τμημάτων χημείας υπερβαρέων στοιχείων στο GSI/FAIR και στο Ινστιτούτο Helmholtz του Μάιντς, καθώς και καθηγητής στο Πανεπιστήμιο Johannes Gutenberg του Μάιντς, τονίζει τη σημασία της διεθνούς συνεργασίας.
«Αυτό το πρωτοποριακό πείραμα δεν θα ήταν δυνατό χωρίς τη διεπιστημονική και διεθνή συνεργασία μεταξύ ερευνητικών ιδρυμάτων σε όλο τον κόσμο», εξηγεί ο Düllmann.
Η μελέτη συμπληρώνει τα ερευνητικά προγράμματα των GSI και FAIR, τα οποία ασχολούνται, μεταξύ άλλων, με την προέλευση των στοιχείων στο σύμπαν και τις βασικές τους ιδιότητες.
Μετά το επιτυχημένο πείραμα, οι επιστήμονες προετοιμάζουν ήδη περαιτέρω έρευνες. Στο μέλλον, σχεδιάζουν επίσης να διερευνήσουν χημικές ενώσεις με στοιχεία ακόμη βαρύτερα από το σιμπόργκιο.
(ΝΤΑΡΜΣΤΑΝΤ – ΚΟΚΚΙΝΟ/GSI)
Προτεινόμενη εικόνα: Πειραματική διάταξη πίσω από τον διαχωριστή TASCA: ο πρώτος ανιχνευτής πίσω από τον θάλαμο αντίδρασης, περιτριγυρισμένος από δύο ανιχνευτές γερμανίου. Φωτογραφία: GSI
