Фиолетово-синий раствор в этом флаконе содержит кристаллы беркелоценового «сэндвича». (Фото: Алисса Гайзер/Лаборатория Беркли)
Ученые из Лаборатории имени Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) совершили поистине революционное открытие, впервые описав металлоорганическую молекулу, содержащую тяжелый элемент берклий. Новое соединение, получившее название беркелоцен, представляет собой уникальный химический комплекс, который позволит специалистам узнать больше о свойствах актиноидов — группы элементов, к которой принадлежит берклий.
В металлоорганических молекулах ион металла окружен углеродной структурой. Молекулы металлов из группы ранних актиноидов, например, уран, уже достаточно хорошо исследованы, в то время как более тяжелые элементы, в том числе, берклий, ученым еще лишь предстоит изучить в полной мере. Команда специалистов под руководством Стефана Минасяна смогла доказать существование химической связи между атомами углерода и берклия, что позволяет взглянуть по-новому на поведение этого металла по сравнению с другими элементами таблицы Менделеева.
Берклий был открыт в 1949 году выдающимся химиком-ядерщиком Гленном Сиборгом в Лаборатории Беркли. Этот элемент стал одним из множества открытий этого выдающегося ученого, получившего за них Нобелевскую премию по химии в 1951 году. С тех пор ученые продолжают всесторонне изучать группу актиноидов, особенно в контексте создания новых моделей поведения этих элементов и разработки методов безопасного хранения ядерных отходов.
Изучать берклий крайне сложно в техническом отношении, так как этот элемент радиоактивен и синтезируется в крайне малых количествах. К тому же металлоорганические соединения, подобные беркелоцену, чрезвычайно чувствительны к воздуху и способны к самовоспламенению, что требует особых условий для работы с ними. Чтобы преодолеть эти препятствия, были разработаны специальные перчаточные боксы, которые позволяют проводить синтез в среде, полностью защищенной от воздуха.
Для экспериментов по рентгеновской дифракции на монокристаллах химики использовали всего 0,3 миллиграмма изотопа берклий-249, полученного из Национального центра разработки изотопов (Oak Ridge National Laboratory). Исследования показали, что молекула беркелоцена имеет симметричное строение: атом берклия заключен между двумя восьмичленными кольцами из атомов углерода, словно сэндвич. Такое же строение ранее было обнаружено у ураноцена — металлоорганического соединения урана, открытого в 1960-х годах.
Особенно удивительным стало электронное моделирование структуры, проведенное профессором Йохеном Аутчбахом из Университета Буффало. Оно показало, что берклий в беркелоцене находится в тетравалентном состоянии (+4), тогда как традиционная химия предполагала, что его поведение должно быть ближе к лантаноидам, например, к тербию. Однако оказалось, что ион берклия намного устойчивее в таком, что ставит под сомнение привычные представления ученых о свойствах f-элементов.
Открытие беркелоцена не только расширяет знания об актиноидах, но и позволяет создать новые модели, описывающих поведение таких элементов. Это, в свою очередь, имеет значительную практическую роль: понимание свойств актиноидов поможет решить актуальные проблемы, связанные с утилизацией и долговременным хранением радиоактивных отходов.
