В глубине таблицы Менделеева прячется особая группа — актиноиды. В неё входят 14 металлов, и среди них такие известные личности, как торий, уран и плутоний, а также менее раскрученные нептуний и америций. Атомы у этих ребят огромные, в них больше сотни электронов, и часть из них обитает на специальных, так называемых 5f-орбиталях. И вот тут начинается самое интересное и сложное.

Из-за такой толчеи электронов их поведение перестает подчиняться простым и понятным правилам. В игру вступают квантовая механика и хитрые взаимодействия между частицами — в гораздо большей степени, чем у других элементов периодической системы. Из-за этого актиноиды ведут себя неожиданно и обладают особыми свойствами, которые ученые до конца еще не распутали. Чтобы хоть как-то понять, что происходит, исследователи просвечивают вещества разными методами, но часто получаемой информации едва хватает, чтобы подтвердить: да, всё сложно.

Недавно команда исследователей из Института проблем захоронения ядерных отходов (INE) при Технологическом институте Карлсруэ (KIT) решила копнуть глубже. Они применили хитрый метод — резонансное неупругое рассеяние рентгеновских лучей на М4-уровне. Если проще: они сконцентрировались на довольно сильном сигнале, который раньше все почему-то игнорировали, считая его бесполезным. И не зря! Оказалось, что если как следует его измерить и проанализировать, он расскажет намного больше о внутреннем мире актиноидов.

Теперь этот сигнал позволяет надежно определить, сколько 5f-электронов намертво «завязано» в химической связи атома с соседями. А если чуть-чуть изменить геометрию эксперимента, можно даже разглядеть, как именно устроены эти связи между самими актиноидами и другими атомами.

Подробности опубликованы в издании Nature Communications.

Профессор Тоня Витова, которая заведует отделом перспективной спектроскопии, объясняет это так: полученные данные позволяют наконец-то проверить теоретические расчеты и компьютерные модели «вживую». А это очень важно. Ведь точное понимание свойств соединений актиноидов нужно не просто для галочки. Без этого нельзя предсказать, как поведут себя эти вещества в земной коре, на урановых рудниках или в хранилищах ядерных отходов. И еще один момент: среди этих соединений есть те, которые могут стать основой для новых лекарств от рака — радиофармпрепаратов, уничтожающих опухолевые клетки.

Для своих опытов ученые использовали синхротрон — мощнейший источник рентгеновского излучения, который есть в том же KIT. Доктор Бьянка Шахерль, руководящая молодежной группой по разработке рентгеноспектральных методов, рассказывает, что работать с актиноидами непросто — они радиоактивны. Но в институте есть огромный опыт безопасного обращения с такими материалами. К тому же для метода нужны микроскопические дозы вещества — часто хватает тысячных долей грамма. «Мы смогли получить такие результаты только благодаря уникальным условиям нашего синхротрона и возможности проводить измерения очень долго и скрупулезно, — добавляет Шахерль. — Хорошая новость в том, что теперь этот метод могут повторить и их коллеги на других синхротронах по всему миру».

В этом прорыве видно инструмент, который заполняет гигантскую «серую зону» в наших знаниях.

1. Для атомной энергетики и экологии. Главная головная боль — предсказать поведение радиоактивных отходов через тысячи лет. Мы не можем ждать столько в реальности, мы строим модели. Но модели ядерного топливного цикла и миграции радионуклидов в подземных хранилищах до сих пор опирались на косвенные данные. Теперь у нас есть прямой «спектроскопический щуп», который говорит: вот ровно столько электронов задействовано в связи, и вот такая у нее структура. Это позволит с беспрецедентной точностью рассчитать, растворится ли конкретное соединение в подземных водах или останется в кристаллической породе навечно. Это прямое попадание в безопасность захоронений.
2. Для медицины. Терапия рака альфа-излучателями (например, изотопами актиноидов) — одно из самых перспективных направлений. Но чтобы «нацелить» атом-убийцу на раковую клетку, его нужно надежно закрепить в специальной молекуле-носителе — хелаторе. Связь должна быть прочной, иначе токсичный металл отвалится раньше времени и убьет здоровые ткани. Наш метод позволяет увидеть, как именно актиноид сидит в этой ловушке, и проверить прочность связи. Без таких измерений разработка радиофармпрепаратов идет методом проб и ошибок, а с ними — становится инженерной задачей.
3. Для фундаментальной науки. Мы, по сути, получили окошко в мир квантовой запутанности и релятивистских эффектов. Электроны в актиноидах движутся с огромными скоростями, приближающимися к скорости света, что делает их поведение еще более экзотичным. Этот метод — идеальный полигон для проверки самых сложных теорий строения материи.

В своей работе исследователи утверждают, что разработанный ими метод M4-резонансного неупругого рассеяния позволяет надежно определять количество электронов, локализованных в химической связи. Но давайте посмотрим на объекты исследования. Все эксперименты проводились на простых, хорошо окристаллизованных соединениях в идеальных лабораторных условиях. Однако реальный мир, будь то геологическая формация на глубине 500 метров или биологическая жидкость в организме человека, — это грязная, сложная, гетерогенная среда. Там присутствуют примеси, радиолиз воды, меняющиеся pH и температура.

Насколько устойчивым окажется этот сигнал, если анализировать, скажем, не чистый препарат, а образец выщелоченного минерала или фрагмент ткани с микроскопическим содержанием актиноида? Не будут ли «шум» от матрицы и побочные эффекты искажать ту самую тонкую структуру сигнала, на которой базируется весь метод? В статье не приведено убедительных доказательств того, что методика сохранит свою количественную точность за пределами стерильных условий лаборатории. Пока это блестящий лабораторный инструмент, но его „полевая“ применимость для прогнозирования поведения отходов или медицинской диагностики сильно преувеличена и требует отдельной, гораздо более сложной валидации на реальных объектах.

Ранее ученые использовали синхротрон для формирования облаков.