La supercomputadora Titan en Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) ha permitido a los científicos explorar un estado de oxidación inesperado en los raros, berkelio elemento radiactivo que se observó por primera vez en un experimento. La OLCF es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE).

El estado de oxidación de un átomo se caracteriza por la cantidad de electrones que intercambia para formar un compuesto y proporciona información sobre cómo un elemento interactúa con el entorno circundante. Publicado en abril de Química de la naturaleza , el estudio está ayudando a llenar las lagunas en la comprensión fundamental del berkelio y podría tener aplicaciones futuras para la separación de baja toxicidad en la gestión de residuos nucleares.

Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) adquirieron una muestra diminuta del isótopo de berkelio más común, Bk-249, del Laboratorio Nacional Oak Ridge del DOE (ORNL) a través del Programa de Isótopos del DOE. De paso, el elemento y Berkeley Lab son homónimos de Berkeley, California, donde se descubrió el elemento en 1949.

En ORNL, isótopos radiactivos para la investigación, incluido Bk-249, son producidos y purificados con el apoyo del Programa de Isótopos del DOE, que recientemente contribuyó a un estudio separado y muy publicitado:el descubrimiento del elemento 117. El nuevo elemento se llamó oficialmente "Tennessine" gracias, en parte, al papel de ORNL en la síntesis del berkelio necesario para su creación.

Aunque el berkelio se sintetizó por primera vez hace más de 60 años, su isótopo se produce en cantidades tan pequeñas y permanece estable durante tan poco tiempo (menos de un año) que su estructura y propiedades fundamentales rara vez se estudian. La producción de Bk-249 también es una empresa prolongada que incluye muchos pasos precisos y la experiencia de todo un equipo de científicos e ingenieros. dijo Julie Ezold del Grupo de Procesamiento de Materiales Nucleares de ORNL.

Una mirada rara al berkelio

Sin embargo, los científicos conocen muchas propiedades del berkelio. Con un número atómico de 97, ocurre en una clase de elementos conocidos como actínidos, que son metálicos, elementos radiactivos con números atómicos entre 89 y 103. El uranio y el plutonio también son actínidos, sin embargo, la mayoría de sus respectivos isótopos tienen vidas medias mucho más largas que Bk-249 y emiten partículas alfa de alta energía, mientras que Bk-249 emite partículas beta de menor energía. Los investigadores de Berkeley Lab están utilizando cristalografía de rayos X de alta potencia y espectrometría de masas para estudiar la estructura química de Bk-249 y cómo puede interactuar con el medio ambiente.

"Hemos estado investigando las propiedades espectroscópicas de los actínidos más pesados ​​para obtener una comprensión más fundamental de estos elementos, que tienen aplicaciones en el ciclo del combustible nuclear y la gestión de residuos, "dijo Rebecca Abergel, investigador científico e investigador principal en Berkeley Lab y ganador en 2014 de un premio del Programa de Investigación de Carrera Temprana de la Oficina de Ciencias del DOE.

El equipo de químicos actínidos de Abergel, incluido Gauthier Deblonde, trabajó en estrecha colaboración con los cristalógrafos de proteínas del laboratorio de Roland Strong en el Centro de Investigación del Cáncer Fred Hutchinson.

En el curso de su trabajo experimental, El equipo de Abergel notó algo extraño. Investigaciones anteriores han demostrado que todos los actínidos de trans-plutonio (aquellos con números atómicos mayores que el plutonio, o 94) para estabilizarse en un estado de oxidación + III, una propiedad que describe cómo el elemento forma enlaces químicos. Para explorar sus límites químicos, Los científicos han intentado llevar el berkelio al estado de oxidación + IV utilizando productos químicos altamente ácidos. pero el efecto, aunque posible, es fugaz.

En este estudio, El equipo de Abergel unió el Bk-249 a un ligando orgánico sintetizado, que es una molécula que se une a un ion metálico central (en este caso Bk-249) para formar un compuesto. El equipo ha utilizado previamente este ligando en actínidos por su capacidad para unirse con esa clase de elementos. Al capturar la estructura del Bk-249 mientras está unido al ligando, los investigadores esperaban aprender más sobre las propiedades químicas y estructurales del berkelio, incluyendo su estado de oxidación + III.

"Usamos moléculas naturales, o ligandos, hecho de bacterias para unirse a actínidos. Algunas de esas moléculas están unidas por proteínas, por lo que terminas con un sistema que incluye una proteína, ligando, y metal (el actínido) unidos, "Abergel dijo." En este caso, la proteína no se unió al complejo metal-ligando, indicando un estado de oxidación + IV ".

A diferencia de los productos químicos ácidos, un ligando orgánico podría ofrecer una alternativa más natural y sencilla para las aplicaciones de gestión de residuos.

La simulación confirma el experimento

Para ayudar a arrojar más luz sobre los interesantes resultados experimentales, El equipo de Abergel recurrió al científico computacional Wibe (Bert) de Jong, Química Computacional, Líder del grupo de Materiales y Clima en Berkeley Lab. Como parte de un proyecto de impacto computacional innovador y novedoso a gran escala en la teoría y el experimento centrado en la química fundamental de actínidos dirigido por David Dixon en la Universidad de Alabama, de Jong utilizó el sistema Titan de 27 petaflop en el OLCF para simular la unión de Bk-249 al ligando y luego generó los datos espectroscópicos correspondientes.

"La química de los actínidos es un campo difícil en general con muy pocos datos experimentales disponibles, ", dijo de Jong." La informática está ayudando mucho al verificar los resultados experimentales, informar el diseño de nuevos experimentos, o sirviendo como reemplazo de experimentos para que los investigadores no tengan que lidiar con la radiactividad ".

Las simulaciones en Titán y el Cray XC30 Eos de 736 nodos del OLCF incluyeron alrededor de 100 átomos, capturando cómo Bk-249 se une al ligando en los estados de oxidación + III y + IV. El estudio computacional utilizó NWChem, un código de química computacional escalable que puede ejecutarse eficientemente en miles de procesadores de computadora. Para calcular la gran cantidad de estados excitados presentes en sistemas moleculares como el compuesto de metal y ligando en este estudio, el equipo se basó en avances significativos en NWChem que se desarrollaron como parte de un proyecto de Descubrimiento Científico a través de Computación Avanzada (SciDAC) dirigido por Chris Cramer en la Universidad de Minnesota, para lo cual de Jong es co-investigador principal.

"Después de hacer los cálculos, generamos espectros que podríamos comparar directamente con los generados por los experimentos de Abergel, ", dijo de Jong.

Al traducir los datos computacionales a cómo se verían como datos experimentales, los investigadores pudieron confirmar que efectivamente habían observado un estado de oxidación + IV en el experimento.

"El ligando permite que el berkelio se oxide de + III a + IV, por lo que esto nos dice mucho sobre cómo los entornos pueden cambiar la física y la química de los elementos actínidos, ", dijo de Jong.

Los investigadores planean utilizar más modelos y simulaciones computacionales en extensiones de este estudio.

"Lo hemos extendido a toda la serie de actínidos para comprender la tendencia sistémica de la unión en esta serie, ", Dijo Abergel." Estamos al comienzo de esto, pero significa que estamos obteniendo una mejor comprensión de cómo la química afecta la forma en que el elemento interactúa con el medio ambiente ".