Un team di ricerca internazionale ha misurato per la prima volta la forza di un legame chimico con il seaborgio: i risultati sono stati pubblicati su "Nature"
Un team di ricerca internazionale guidato da scienziati del Centro Helmholtz per la ricerca sugli ioni pesanti del GSI e del FAIR di Darmstadt ha raggiunto un risultato straordinario: per la prima volta, è stata determinata sperimentalmente la forza di un legame chimico in un composto con un elemento superpesante. I risultati forniscono nuove informazioni su come cambiano le proprietà chimiche degli elementi in condizioni estreme.
L'oggetto principale della ricerca era l'elemento prodotto artificialmente seaborgio (Sg) con numero atomico 106. Gli scienziati hanno esaminato un composto costituito da un atomo di seaborgio e sei gruppi di monossido di carbonio, il cosiddetto complesso esacarbonilico Sg(CO)₆.
Il risultato sorprendente: il legame chimico è più debole di quanto ci si sarebbe aspettato in base alla posizione dell'elemento nella tavola periodica. Ciò è dovuto a effetti che possono essere spiegati dalla teoria della relatività di Einstein. I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla rinomata rivista scientifica "Nature".
Quando la teoria della relatività di Einstein influenza la chimica
Gli elementi superpesanti con numero atomico compreso tra 104 e 118 non si trovano in natura in quantità sufficienti per questo tipo di indagini. Devono essere prodotti artificialmente tramite reazioni di fusione nucleare presso acceleratori di particelle.
Si tratta di un processo complesso: spesso vengono prodotti solo pochi atomi al giorno. Inoltre, i nuclei atomici risultanti sono estremamente instabili e decadono radioattivamente in brevissimo tempo.
Nel seaborgio, l'elevata carica positiva del nucleo atomico influenza fortemente il moto degli elettroni. Gli elettroni in prossimità del nucleo raggiungono velocità tali che gli effetti relativistici assumono un ruolo significativo.
Questo modifica la struttura elettronica dell'atomo. Ciò, a sua volta, influenza il modo in cui l'elemento forma legami chimici con altri atomi o molecole.
Seabordium si sta comportando in modo diverso da quanto previsto
Nella tavola periodica, il seaborgio appartiene allo stesso gruppo di elementi del cromo, del molibdeno e del tungsteno. All'interno di questo gruppo, la forza del legame chimico studiato aumenta dal cromo, passando per il molibdeno, fino al tungsteno.
Seguendo questo schema, ci si sarebbe aspettati che il legame corrispondente fosse particolarmente forte nel Seaborgio, che è ancora più pesante.
Tuttavia, le misurazioni hanno mostrato il contrario.
"Dal cromo al molibdeno al tungsteno, la forza del legame aumenta, quindi in teoria dovrebbe essere massima nel seaborgio. Tuttavia, le misurazioni mostrano che l'elevato numero atomico del seaborgio ne modifica la struttura elettronica, invertendo la tendenza e portando a un legame più debole", spiega il dottor Alexander Yakushev del GSI/FAIR, portavoce della collaborazione di ricerca internazionale.
I calcoli di chimica quantistica che tengono conto degli effetti relativistici possono spiegare questa osservazione. Modelli più semplici, privi di questi effetti, avrebbero invece previsto un ulteriore aumento della forza del legame.
Per lo studio erano necessari solo 75 atomi di seaborgio
L'indagine sperimentale ha posto ai ricercatori sfide particolari, poiché gli atomi di seaborgio prodotti esistono solo per frazioni di secondo.
L'isotopo Seaborgio-259 è stato prodotto presso il GSI/FAIR di Darmstadt. Gli stati nucleari studiati hanno una durata di vita inferiore a mezzo secondo.
Utilizzando l'apparato sperimentale TASCA, il separatore di transattinidi e l'apparecchiatura chimica, gli atomi generati sono stati isolati e quindi introdotti in un'atmosfera gassosa contenente monossido di carbonio.
I composti chimici oggetto di studio potevano formarsi in quel luogo. Due rivelatori, disposti uno dietro l'altro, servivano a registrare i decadimenti radioattivi dei singoli atomi e a distinguere tra i diversi prodotti di reazione.
Complessivamente, i ricercatori hanno rilevato 75 atomi di seaborgio. Solo tre di questi sono stati registrati dal rilevatore per il composto esacarbonile.
Per confronto, il team ha esaminato anche gli isotopi di tungsteno a vita breve. In questi, il 17% degli atomi formava il composto corrispondente.
Da questa differenza, gli scienziati sono stati in grado di dedurre che il legame studiato è circa quattro kilojoule per mole più debole nel seaborgio che nel tungsteno.
Anni di ricerca portano al successo
Il composto Sg(CO)₆ è stato sintetizzato per la prima volta circa dieci anni fa presso il RIKEN Nishina Center in Giappone. All'epoca, tra i ricercatori coinvolti nell'esperimento figuravano anche studiosi dell'Università Johannes Gutenberg di Magonza e del GSI/FAIR.
Già allora, il composto era considerato promettente per lo studio della forza dei legami chimici. Tuttavia, i primi tentativi di determinarne effettivamente la forza non ebbero successo.
Solo la combinazione di metodi di sintesi chimica rapidi, rese elevate e metodi di rilevamento sensibili per i decadimenti radioattivi ha reso possibile la misurazione con successo.
La cooperazione internazionale come base
Il professor Christoph E. Düllmann, responsabile dei dipartimenti di chimica degli elementi superpesanti presso il GSI/FAIR e l'Istituto Helmholtz di Magonza, nonché professore all'Università Johannes Gutenberg di Magonza, sottolinea l'importanza della cooperazione internazionale.
"Questo esperimento innovativo non sarebbe stato possibile senza la collaborazione interdisciplinare e internazionale tra istituti di ricerca di tutto il mondo", spiega Düllmann.
Lo studio integra i programmi di ricerca del GSI e del FAIR, che si occupano, tra l'altro, dell'origine degli elementi nell'universo e delle loro proprietà fondamentali.
In seguito al successo dell'esperimento, gli scienziati stanno già preparando ulteriori indagini. In futuro, prevedono anche di esplorare composti chimici con elementi ancora più pesanti del seaborgio.
(DARMSTADT – ROSSO/GSI)
Immagine in evidenza: Configurazione sperimentale dietro il separatore TASCA: il primo rivelatore dietro la camera di reazione, circondato da due rivelatori al germanio. Foto: GSI
