Khám phá ở rìa bảng tuần hoàn: Những đo đạc đầu tiên trên einsteinium
Kể từ nguyên tố 99 mang tên einsteinium được khám phá vào năm 1952 tại Phòng thí nghiệm quốc gia Mỹ Lawrence Berkeley của Bộ Năng lượng Mỹ, các nhà khoa học mới chỉ thực hiện được một vài thực nghiệm trên nguyên tố này bởi vì rất khó để tạo ra nó và loại trừ được phóng xạ.
Một nhóm các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Berkeley đã vượt qua được những rào cản đó và thực hiện được nghiên cứu đầu tiên miêu tả về các đặc tính của nó, từ đó mở ra cánh cửa tới những hiểu biết sâu sắc hơn về các nguyên tố có số lượng nguyên tử cao hơn uranium, có tính phóng xạ cao còn lại thuộc họ actinide.
Xuất bản công bố trên tạp chí Nature, nghiên cứu “Structural and Spectroscopic Characterization of an Einsteinium Complex” (Các tính chất về cấu trúc và phổ học của một phức chất Einsteinium) do Rebecca Abergel – nhà nghiên cứu Berkeley, và Stosh Kozimor – nhà nghiên cứu thuộc Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos – dẫn dắt và các nhà khoa học thuộc hai phòng thí nghiệm này, UC Berkeley, đại học Georgetown thực hiện. Trong đó có nhiều người là nghiên cứu sinh và postdoct. Với ít hơn 250 nanogram nguyên tố Einsteinium, nhóm nghiên cứu đã lần đầu tiên đo đạc được chiều dài liên kết, một đặc tính cơ bản của những liên tương tác giữa các nguyên tử và phân tử trong một nguyên tố.
“Không có nhiều điều lắm chúng ta biết về einsteinium”, Abergel, ngươi đang dẫn dắt nhóm nghiên cứu về Hóa học của các nguyên tố nặng ở Berkeley Lab và là một trợ lý giáo sư tại Khoa Kỹ thuật hạt nhân ở UC Berkeley, nhận xét. “Đây là thành công đáng kể bởi chúng tôi đã có thể thí nghiệm với một lượng nhỏ vật liệu và làm được điều đó với hóa vô cơ. Rất đáng ghi nhận điều này bởi giờ chúng tôi có thể hiểu nhiều hơn về hành xử hóa học, nhiều hơn để chúng tôi có thể ứng dụng hiểu biết đó vào việc phát triển những vật liệu mới hoặc công nghệ mới, không nhất thiết chỉ là với einsteinium mà cả phần còn lại của các nguyên tố họ actinide. Và chúng tôi có thể thiết lập các xu hướng trong bảng tuần hoàn”.
Thời gian sống ngắn và khó tạo ra
Abergel và đồng nghiệp thường sử dụng các cơ sở thực nghiệm có điều kiện trang thiết bị tiên tiến hơn nhiều so với hàng chục thập kỷ trước khi einsteinium lần đầu được khám phá – Phòng thí nghiệm phân tử tại Berkeley Lab và Máy gia tốc Stanford (SSRL) tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc quốc gia Mỹ SLAC. Nhưng đầu tiên, việc có được một lượng mẫu dưới hình thức có thể sử dụng được đã quyết định một nửa thành công. “Hầu hết cả bài báo này là một chuỗi dài của những sự kiện không may”, chị nói một cách hài hước.
Vật liệu này được tạo ra tại Lò phản ứng đồng vị thông lượng cao tại Phòng thí nghiệm quốc gia Mỹ Oak Ridge, một trong số hiếm hoi vài nơi trên thế giới có năng lực tạo ra einsteinium, vốn bao gồm việc bắn phá các bia curium với những neutron để kích hoạt một chuỗi dài các phản ứng hạt nhân. Vấn đề đầu tiên mà họ gặp phải là mẫu thử đã bị nhiễm một lượng đáng kể californium, vì vậy việc làm tinh sạch einsteinium ở chất lượng có thể dùng được là một thách thức vô cùng lớn.
Vì vậy họ phải loại bỏ kế hoạch ban đầu để sử dụng tinh thể học tia X – vốn được xác định là tiêu chuẩn vàng để thu thập thông tin cấu trúc trên các phân tử có hoạt độ phóng xạ cao nhưng đòi hỏi một mẫu kim loại tinh sạch – và thiết lập một cách mới để tạo ra các mẫu và dẫn đến những kỹ thuật nghiên cứu nguyên tố đặc biệt. Các nhà nghiên cứu tại Los Alamos hỗ trợ công đoạn này bằng việc thiết kế một thiết bị giữ mẫu phù hợp một cách độc đáo với những thách thức bên trong với einsteinium.
Sau đó, việc đối mặt với quá trình phân rã phóng xạ cũng là một thách thức. Nhóm nghiên cứu của Berkeley Lab triển khai những thực nghiệm với einsteinium-254, một trong những đồng vị bền của nguyên tố này. Nó có thời gian bán rã là 276 ngày. Dù nhóm nghiên cứu đã thực hiện nhiều thí nghiệm trước đại dịch coronavirus nhưng những kế hoạch cho những thực nghiệm tiếp theo đã bị đứt đoạn trong thời kỳ đóng cửa vì đại dịch. Vào thời điểm trở lại phòng thí nghiệm vào mùa hè thì phần lớn các mẫu thử đều đã không còn.
Khoảng cách liên kết và hơn thế
Tuy vậy các nhà nghiên cứu đều có thể đo đạc được chiều dài liên kết với einsteinium và khám phá ra một số hành xử hóa lý khác từ những gì mà người ta có thể chờ đợi ở các nguyên tố họ actinide, vốn là những nguyên tố ở hàng dưới của bảng tuần hoàn.
“Việc xác định được chiều dài liên kết tưởng chừng có thể không thú vị nhưng đấy là điều đầu tiên anh cần biết về cách liên kết của các phân tử trong một kim loại. Vậy loại tương tác hóa học của nguyên tố này với các nguyên tử và phân tử khác là gì?” Abergel nói.
Một khi các nhà khoa học có được bức tranh về sự sắp xếp nguyên tử của một phân tử hợp thành einsteinium, họ có thể cố tìm ra điều thú vị về các đặc tính hóa học và gia tăng hiểu biết về xác xu hướng của bảng tuần hoàn. “bằng việc có thêm miếng ghép này của dữ liệu, chúng tôi tăng thêm hiểu biết về cách toàn bộ họ actinide hành xử như thế nào. Và trong họ của những nguyên tố này, chúng tôi có các nguyên tố hoặc đồng vị có thể hữu dụng trong việc tạo ra điện hạt nhân hoặc dược chất phóng xạ”, chị nói.
Thật ngạc nhiên là nghiên cứu này lại đưa ra khả năng có thể của mở rộng bảng tuần hoàn và có thể là khám phá ra một nguyên tố mới. “Chúng tôi bắt đầu hiểu ra một ít thông tin mới về những gì diễn ra ở phía cuối bảng tuần hoàn và điều tiếp theo là có thể mường tượng ra một bia bằng einsteinium để tìm ra những nguyên tố mới”, Abergel nói. “Tương tự với các nguyên tố mới nhất trên bảng tuần hoàn được khám phá trong vòng 10 năm trở lại đây như tennessine, được tìm ra với bia bằng berkelium, nếu anh có thể cô lập được đủ einsteinium nguyên chất để tạo ra một tấm bia, bắt đầu trông chờ vào những nguyên tố khác và tiến gần hơn về mặt lý thuyết đảo bền”, nơi các nhà vật lý hạt nhân đã dự đoán các đồng vị có thể có thời gian sống trong vòng một vài phút hoặc vài ngày, thay vì một phần triệu giây hoặc ít hơn như các nguyên tố siêu nặng.
Thanh Phương tổng hợp
Nguồn: https://phys.org/news/2021-02-discoveries-edge-periodic-table-einsteinium.html
https://www.nature.com/articles/s41586-020-03179-3
