Une équipe de recherche internationale mesure pour la première fois la force d'une liaison chimique avec le seaborgium – résultats publiés dans « Nature »
Une équipe de recherche internationale, dirigée par des scientifiques du GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research et de FAIR à Darmstadt, a réalisé une mesure remarquable : pour la première fois, la force d’une liaison chimique dans un composé contenant un élément superlourd a été déterminée expérimentalement. Ces résultats apportent un éclairage nouveau sur la façon dont les propriétés chimiques des éléments évoluent dans des conditions extrêmes.
L'objet de l'enquête était l'élément produit artificiellement seaborgium (Sg) avec le numéro atomique 106. Les scientifiques ont examiné un composé constitué d'un atome de seaborgium et de six groupes de monoxyde de carbone, le complexe hexacarbonyle Sg(CO)₆.
Résultat surprenant : la liaison chimique est plus faible que prévu compte tenu de la position de l’élément dans le tableau périodique. Ceci s’explique par des effets liés à la théorie de la relativité d’Einstein. Ces résultats ont été publiés dans la prestigieuse revue scientifique « Nature ».
Quand la théorie de la relativité d'Einstein influence la chimie
Les éléments superlourds, dont le numéro atomique est compris entre 104 et 118, n'existent pas à l'état naturel en quantités suffisantes pour de telles recherches. Ils doivent être produits artificiellement par des réactions de fusion nucléaire dans des accélérateurs de particules.
Il s'agit d'un processus complexe : souvent, seuls quelques atomes sont produits par jour. De plus, les noyaux atomiques résultants sont extrêmement instables et se désintègrent radioactivement en très peu de temps.
Dans le seaborgium, la charge positive élevée du noyau atomique influence fortement le mouvement des électrons. Les électrons proches du noyau atteignent des vitesses auxquelles les effets relativistes jouent un rôle significatif.
Cela modifie la structure électronique de l'atome. Ceci, à son tour, influence la façon dont l'élément forme des liaisons chimiques avec d'autres atomes ou molécules.
Seaborgium se comporte différemment de ce à quoi on s'attendait
Dans le tableau périodique, le seaborgium appartient au même groupe d'éléments que le chrome, le molybdène et le tungstène. Au sein de ce groupe, la force de la liaison chimique étudiée augmente du chrome au tungstène en passant par le molybdène.
En suivant ce schéma, on aurait pu s'attendre à ce que la liaison correspondante soit particulièrement forte dans le seaborgium, encore plus lourd.
Cependant, les mesures ont montré le contraire.
« Du chrome au molybdène puis au tungstène, la force de liaison augmente ; elle devrait donc être maximale dans le seaborgium. Or, les mesures montrent que le numéro atomique élevé du seaborgium modifie sa structure électronique, ce qui inverse la tendance et conduit à une liaison plus faible », explique le Dr Alexander Yakushev du GSI/FAIR, porte-parole de la collaboration internationale de recherche.
Des calculs de chimie quantique prenant en compte les effets relativistes permettent d'expliquer cette observation. En revanche, des modèles plus simples, ne tenant pas compte de ces effets, auraient prédit une augmentation supplémentaire de la force de liaison.
Seuls 75 atomes de seaborgium ont été nécessaires pour cette étude
L'étude expérimentale a posé des défis particuliers aux chercheurs, car les atomes de seaborgium produits n'existent que pendant des fractions de seconde.
L'isotope seaborgium-259 a été produit au GSI/FAIR de Darmstadt. Les états nucléaires étudiés ont une durée de vie inférieure à une demi-seconde.
En utilisant le dispositif expérimental TASCA, le séparateur de transactinides et l'appareil chimique, les atomes générés ont été isolés puis introduits dans une atmosphère gazeuse contenant du monoxyde de carbone.
Les composés chimiques étudiés ont pu se former à cet endroit. Deux détecteurs disposés l'un derrière l'autre ont permis d'enregistrer les désintégrations radioactives des atomes individuels et de distinguer les différents produits de réaction.
Au total, les chercheurs ont détecté 75 atomes de seaborgium. Seuls trois d'entre eux ont été enregistrés par le détecteur pour le composé hexacarbonyle.
À titre de comparaison, l'équipe a également examiné des isotopes du tungstène à courte durée de vie. Dans ces derniers, 17 % des atomes formaient le composé correspondant.
À partir de cette différence, les scientifiques ont pu déduire que la liaison étudiée est environ quatre kilojoules par mole plus faible dans le seaborgium que dans le tungstène.
Des années de recherche mènent au succès
Le composé Sg(CO)₆ a été synthétisé pour la première fois il y a une dizaine d'années au centre RIKEN Nishina au Japon. Des scientifiques de l'université Johannes Gutenberg de Mayence et du GSI/FAIR ont participé à l'expérience à cette époque.
Même alors, ce composé était considéré comme prometteur pour l'étude de la force des liaisons chimiques. Cependant, les premières tentatives pour déterminer précisément ces forces se sont avérées infructueuses.
Seule la combinaison de méthodes de synthèse chimique rapides, de rendements élevés et de méthodes de détection sensibles des désintégrations radioactives a permis jusqu'à présent de réaliser des mesures concluantes.
La coopération internationale comme base
Le professeur Christoph E. Düllmann, chef des départements de chimie des éléments superlourds au GSI/FAIR et à l'Institut Helmholtz de Mayence, ainsi que professeur à l'Université Johannes Gutenberg de Mayence, souligne l'importance de la coopération internationale.
« Cette expérience novatrice n’aurait pas été possible sans une collaboration interdisciplinaire et internationale entre les institutions de recherche du monde entier », explique Düllmann.
Cette étude complète les programmes de recherche du GSI et du FAIR, qui portent notamment sur l'origine des éléments dans l'univers et leurs propriétés fondamentales.
Suite au succès de cette expérience, les scientifiques préparent déjà de nouvelles recherches. Ils envisagent également d'explorer à l'avenir des composés chimiques contenant des éléments encore plus lourds que le seaborgium.
(DARMSTADT – ROUGE/GSI)
Image principale : Dispositif expérimental derrière le séparateur TASCA : le premier détecteur, situé derrière la chambre de réaction, est entouré de deux détecteurs au germanium. Photo : GSI
