Plutonium, een van de moeilijkst te bestuderen elementen, is voor het eerst gevangen in een moleculaire kooi – een zeldzame wetenschappelijke doorbraak.
Onderzoekers hebben voor het eerst een plutoniumatoom gevangen in een moleculaire ‘kooi’, een Keggin-ion. Dit opent nieuwe wegen om het complexe gedrag van dit beruchte element te bestuderen, en markeert een belangrijke stap in fundamentele chemie en materiaalonderzoek.
Volgens de studie, gepubliceerd in Inorganic Chemistry, wisten wetenschappers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), Sandia National Laboratories (SNL) en Oregon State University het plutoniumion te isoleren tussen twee Keggin-cages. Deze prestatie maakt het mogelijk om de chemie van plutonium en andere zware actiniden gedetailleerder te onderzoeken.
Veelzijdig maar extreem onvoorspelbaar
Plutonium werd ongeveer 90 jaar geleden ontdekt en staat bekend om zijn veelzijdige toepassingen: van kernenergie tot ruimtevaart. Het silvery-grijze metaal is radioactief en heeft bijna twintig isotopen, elk met een unieke halveringstijd. Dit maakt het moeilijk te bestuderen en voorspellen.
Het element kan legeringen vormen met veel andere metalen en bestaat in meerdere metallische fasen. Daarnaast vormt plutonium coördinatieverbindingen, waarbij het als een positief geladen ion (cation) gebonden wordt door andere moleculen of ionen. Ondanks honderden bekende coördinatiestructuren zijn verbindingen met polyoxometalaten (POMs) extreem zeldzaam: tot nu toe waren er slechts vijf bekende plutonium-POM verbindingen.
Plutonium voor het eerst gevangen
Polyoxometalaten zijn grote, zuurstofrijke clusters die metalen kunnen vangen in een soort moleculaire kooi. Het Keggin-ion is een bekende POM, opgebouwd uit wolfraam- en zuurstofatomen rond een centraal fosforatoom. Keggin-ionen hebben eerder andere metalen gevangen, maar nog nooit plutonium.
De onderzoekers gebruikten slechts zes microgram plutonium—een hoeveelheid kleiner dan een rijstkorrel—en wisten het metaalion succesvol te isoleren tussen twee Keggin-cages. Geavanceerde technieken zoals röntgendiffractie, optische spectroscopie, kernspinresonantie en röntgenschittering bevestigden de stabiliteit van het complexe en gaven gedetailleerde structurele inzichten.
Verrassend verschil met andere metalen
Vergelijkingen met andere metalen in POM-complexen, zoals cerium, hafnium en thorium, toonden een verrassend verschil: bij deze metalen liggen de ionen parallel, terwijl plutoniumionen perpendicular aan elkaar zijn gerangschikt. Dit verklaart deels waarom plutonium al decennia lang bekendstaat als een ‘wild card’ in chemie: het volgt niet de standaardmodellen en laat onverwacht gedrag zien.
Doorbraak voor de wetenschap
Het isoleren van plutonium in een moleculaire kooi is meer dan een technisch hoogstandje. Voor chemici en materiaalwetenschappers betekent het:
- Beter begrip van actiniden: Door plutonium gecontroleerd te bestuderen, kunnen onderzoekers inzicht krijgen in andere complexe zware metalen.
- Nieuwe chemische experimenten: Moleculaire kooien zoals Keggin-ionen kunnen in de toekomst worden gebruikt om zeldzame of radioactieve elementen te isoleren en analyseren.
- Fundamentele kennis: Hoewel dit experiment geen directe praktische toepassing heeft, kan het op termijn relevant zijn voor nucleaire technologie, energieopslag en ruimtevaartmaterialen.
Het onderzoek laat zien dat zelfs een element dat bijna een eeuw bekend is, nog steeds nieuwe verrassingen kan bieden. Plutonium in een moleculaire kooi bewijst dat experimenten op nanoschaal cruciaal zijn om de chemische regels van de zwaarste elementen te begrijpen.
