Aynştayn­yum Elementinin Bağ Mesafesi Nihayet Ölçüldü!

Aynştayn­yum elementinin 1952 yılında ABD Enerji Departmanı'na bağlı Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı tarafından yapılan atomik testlerde ilk hidrojen bombasının enkazında keşfedilmesinden bu yana, bilim insanları bu element ile çok az deney yapabildi; çünkü elementin üretilmesi zordu ve element, son derece radyoaktifti. Berkeley Laboratuvarı kimyacılarından bir grup, bu elementin bazı özelliklerinin tanımlandığı ilk çalışmayı yayımlamak için bazı engelleri nihayet aşmayı başardılar ve bu durum, periyodik tablonun yedinci sırasında yer alan ve 15 radyoaktif elementten oluşan element serisi olarak bilinen aktinitler içerisinde bulunan, periyodik tabloda uranyumdan sonra gelen, neptünyumdan başlayan ve yapay yollarla üretilen kararsız elementler olarak bilinen transuranik elementlerin daha iyi anlaşılmasının kapılarını araladı.

Nature dergisinde yayımlanan "Bir Aynştayn­yum Kompleksinin Yapısal ve Spektroskopik Karakterizasyonu" adlı çalışma, Berkeley Laboratuvarından Rebecca Abergel ve Los Alamos Ulusal Laboratuvarından Stosh Kozimor tarafından ortaklaşa yürütüldü ve çalışmada, ayrıca bu iki laboratuvardan, Kaliforniya Üniversitesinden ve Georgetown Üniversitesinden yüksek lisans ve doktora öğrencileri de yer aldı. Ekip, 250 nanogramdan daha az aynştayn­yum elementini kullanarak, bir elementin diğer atomlarla ve moleküllerle etkileşimlerinin temel bir özelliği olan bağ mesafesini aynştayn­yum elementi için ilk kez ölçtü. Berkeley Laboratuvarında Ağır Element Kimyası Grubuna liderlik eden ve Kaliforniya Üniversitesi Nükleer Mühendislik Bölümünde yardımcı doçent olan Abergel şöyle söylüyor:

Aynştayn­yum hakkında pek fazla bir şey bilinmiyor. Bu kadar az miktarda maddeyle çalışarak inorganik kimya yapabilmemiz olağanüstü bir başarı. Bu önemli, çünkü elementin kimyasal yapısıyla ilgili ne kadar çok şey anlarsak, bu anlayışı yeni materyaller ve yeni teknolojiler geliştirmek için o kadar fazla kullanabiliriz. Bu sadece aynştayn­yum için değil, diğer aktinitler için de geçerli. Bu sayede periyodik tablo için bir gidişat belirleyebiliriz.

Kısa Ömürlü ve Yapımı Zor

Abergel ve ekibi, lüminesans spektroskopisi ve X-ışını absorbsiyonu spektroskopi deneyleri yapabilmek için on yıllar önce aynştayn­yumun keşfi sırasında mevcut olmayan ve her ikisi de ABD Enerji Departmanı'na bağlı Bilim Dairesi kullanıcı tesislerinden olan Berkeley Moleküler Dökümhanesi ve SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarındaki Stanford Senkroton Radyasyon Işık Kaynağı (İng: "Stanford Synchrotron Radiation Lightsource" ya da kısaca "SSLR") gibi deneysel tesisleri kullandı.

Öncelikle, örneği kullanılabilir bir şekilde almak, işin neredeyse yarısıydı. Abergel, alaycı bir biçimde bütün bu makalenin şanssız bir olay silsilesi olduğunu söyledi.

Madde; küriyum hedeflerinin nötronlarla bombardımana tutulması ile başlayan uzun bir nükleer reaksiyon zincirini tetikleyen, aynştayn­yumun üretilebildiği sayılı yerlerden biri olan Oak Ridge Ulusal Laboratuvarındaki Yüksek Akılı İzotop Reaktöründe üretildi. Karşılaştıkları ilk sorun, aynştayn­yumun saf halinin kullanılabilecek miktarda üretilmesi zaten olağanüstü derecede zor iken, element örneğine çok miktarda kaliforniyum elementinin bulaşmış olmasıydı.

Bu yüzden ekip, yüksek derecede radyoaktif moleküllerin yapısı hakkında bilgi edinebilmek konusunda altın standart olarak kabul edilen ve tamamen saf bir metal örneği gerektiren X-ışını kristalografisini kullanma planlarını bir kenara bıraktı. Bunun yerine, ellerindeki element örneğini kullanabilmek için yeni bir yol olarak duruma özgü araştırma tekniklerinden yararlandılar. Los Alamos araştırmacıları, bu aşamada kirli aynştayn­yum numunesi için özel bir örnek kabı hazırlayarak, kritik bir katkıda bulundu.

Ayrıca radyoaktif bozunma ile mücadele de ayrı bir zorluktu. Berkeley Laboratuvarı, deneylerini elementin en kararlı izotoplarından biri olan aynştayn­yum-254 izotopu ile yürüttü. Elementin yarı ömrü; yani yarısı bozunana kadar geçen süre, 276 gündü. Ekip koronavirüs pandemisinden önce birçok deney yürütmüş olsa da, pandemiye bağlı olarak çalışmaların durmasıyla yapmayı planladıkları takip deneyleri sekteye uğradı. Geçen yaz laboratuvara geri dönebildiklerinde ise element örneğinin çoğu bitmişti.

Central Datacore

Bağ Mesafesini Ölçmek Ne İşe Yarar?

Araştırmacılar yine de aynştayn­yum elementinin bağ mesafesini ölçebildiler ve elementin periyodik tablonun en altında bulunan aktinit serisinden farklı olarak gösterdiği davranışlar gözlemlediler. Abergel şunları söylüyor:

Elementin bağ mesafesinin belirlenmesi kulağa ilginç gelmiyor olabilir; ancak bir metalin diğer moleküllerle nasıl bağ kurduğu hakkında bilmek isteyeceğiniz ilk şey bu olacaktır. Bu element, diğer atomlarla ve moleküllerle ne tür bir kimyasal etkileşim kuracak?

Bilim insanları aynştayn­yum içeren bir molekülün atomik düzeninin bu görüntüsünü elde ettiklerinde, ilginç kimyasal özellikler bulmaya ve periyodik tablonun gidişatının anlaşılmasını geliştirmeye çalışabilirler. Abergel şöyle söylüyor:

Bu bilgi sayesinde aktinit serisindeki elementlerin nasıl davrandığı ile ilgili daha iyi ve geniş bir anlayış kazanıyoruz. Bu serilerde, radyofarmasötik (nükleer tıp incelemelerinde tedavi veya teşhis amaçlı kullanılan radyoaktif ilaçlar) ya da nükleer enerji üretimi için kullanılabilecek atom veya izotoplar bulunuyor.

Bu araştırma ayrıca umut vaat eden bir şekilde, periyodik tablonun ötesinde bulunanı keşfetme ve yeni element bulma ihtimali sunuyor. Abergel şöyle söylüyor:

Gerçekten periyodik tablonun sonuna doğru olan kısımda neler olup bittiğini biraz daha iyi anlamaya başladık. Sıradaki şey, yeni elementleri keşfetmek için bir aynştayn­yum hedefi de hayal edebilmenizdir. Berkelyum hedefi kullanarak keşfedilen tenesin elementi gibi son 10 yılda keşfedilen elementler göz önüne alındığında, eğer bir hedef oluşturmak için saf aynştayn­yum izole edebilseydiniz, diğer elementleri arayışa başlardınız ve nükleer fizikçilerin izotoplar için varsaydığı bir yer olan kararlılık adasına; yani süper ağır elementlerde mikro saniye veya daha az yarı ömür yerine yarı ömrün dakikalar hatta günler olabileceği yere daha da yaklaşırdınız.