Los elementos pesados ​​conocidos como actínidos son materiales importantes para la medicina, energía, y defensa nacional. Pero a pesar de que los primeros actínidos fueron descubiertos por científicos en Berkeley Lab hace más de 50 años, todavía no sabemos mucho sobre sus propiedades químicas porque solo se producen pequeñas cantidades de estos elementos (o isótopos) altamente radiactivos cada año; son caros; y su radiactividad hace que sea difícil manipularlos y almacenarlos de forma segura.

Pero esos obstáculos masivos para la investigación de actínidos pueden algún día ser cosa del pasado. Científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. (Berkeley Lab) y UC Berkeley han demostrado cómo un microscopio electrónico líder en el mundo puede obtener imágenes de muestras de actínidos tan pequeñas como un solo nanogramo (una mil millonésima parte de un gramo), una cantidad que es varias órdenes de magnitud menores que las requeridas por los enfoques convencionales.

Sus hallazgos se informaron recientemente en Comunicaciones de la naturaleza , y son especialmente importantes para la coautora principal Rebecca Abergel (abergel.lbl.gov/), cuyo trabajo con los quelantes (moléculas de unión a metales) ha dado lugar a nuevos avances en las terapias contra el cáncer, imagenes medicas, y contramedidas médicas contra amenazas nucleares, entre otros. Abergel es un científico de la facultad que dirige el programa de Química de Elementos Pesados ​​en la División de Ciencias Químicas del Laboratorio de Berkeley. y profesor asistente de ingeniería nuclear en UC Berkeley.

"Todavía hay muchas preguntas sin respuesta con respecto a los enlaces químicos en la serie de actínidos. Con una instrumentación tan avanzada, finalmente podemos sondear la estructura electrónica de los compuestos actínidos, y esto nos permitirá refinar los principios de diseño molecular para varios sistemas con aplicaciones en medicina, energía, y seguridad, "Dijo Abergel.

"Demostramos que se puede trabajar con menos material (un nanogramo) y obtener los mismos, si no mejores, datos sin tener que invertir en instrumentos dedicados para materiales radiactivos, "dijo el coautor principal Andy Minor, director de instalaciones del Centro Nacional de Microscopía Electrónica de la Fundición Molecular de Berkeley Lab, y profesor de ciencia e ingeniería de materiales en UC Berkeley.

Permitir que los investigadores trabajen con solo un nanogramo de una muestra de actínidos reducirá significativamente los altos costos de los experimentos realizados con métodos anteriores. Un gramo de actínido berkelio puede costar la asombrosa suma de $ 27 millones, por ejemplo. Una muestra de actínidos de solo un nanogramo también reduce la exposición a la radiación y los riesgos de contaminación. Minor agregó.

En un conjunto de experimentos en TEAM 0.5 (Microscopio con corrección de aberración electrónica de transmisión), un microscopio electrónico de resolución atómica en Molecular Foundry, los investigadores tomaron imágenes de átomos individuales de berkelio y californio para demostrar cuánto menos material de actínidos se necesita con su enfoque.

En otro conjunto de experimentos que utilizan EELS (espectroscopia de pérdida de energía de electrones), una técnica para sondear la estructura electrónica de un material, los investigadores se sorprendieron al observar en el berkelio un débil "acoplamiento espín-órbita, "un fenómeno que puede influir en cómo un átomo de metal se une a las moléculas". Esto nunca se había informado antes, "dijo el coautor Peter Ercius, un científico del personal de Molecular Foundry que supervisa el microscopio TEAM 0.5. "Es como encontrar una aguja en un pajar. Es asombroso lo que pudimos ver".

El coautor principal, Alexander Müller, le da crédito al enfoque interdisciplinario de "ciencia en equipo" de Berkeley Lab por reunir a los mejores expertos del mundo en microscopía electrónica, química de elementos pesados, Ingeniería Nuclear, y ciencia de materiales para el estudio.

"Debido a que Berkeley Lab atrae a investigadores asombrosos de todos los campos de la ciencia, tal trabajo colaborativo interdisciplinario surge naturalmente aquí, ", dijo." Personalmente, encontré ese aspecto muy gratificante para este proyecto. Y ahora que hemos establecido este enfoque, podemos seguir muchas direcciones nuevas en la investigación de actínidos ". Müller era un becario postdoctoral en la Fundición Molecular de Berkeley Lab y en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la UC Berkeley en el momento del estudio. Ahora es un asociado en Munich, Alemania, oficina de Kearney, una firma internacional de consultoría de gestión.

Los protocolos de seguridad implementados para la investigación involucraron la preparación de muestras en laboratorios dedicados y un estudio cuidadoso de las áreas de trabajo. Dado que las muestras se prepararon con cantidades minúsculas (1-10 nanogramos) de cada isótopo, También se redujeron al mínimo los peligros de contaminación del equipo. dijeron los investigadores.

Los investigadores esperan aplicar su enfoque a la investigación de otros actínidos, incluyendo actinio, einstenio, y fermio.

"Cuanta más información obtengamos de estas diminutas cantidades de elementos radiactivos, cuanto mejor equipados estaremos para promover nuevos materiales para la radioterapia contra el cáncer y otras aplicaciones útiles, "Dijo Minor.

Los coautores del artículo incluyen al ex becario postdoctoral de Berkeley Lab Gauthier Deblonde (coautor principal), ahora científico investigador en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, y Steven Zeltmann, estudiante de posgrado en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de UC Berkeley.