Изучать свойства радиоактивных и при этом еще и чертовски редких материалов — та еще задачка. Особенно если речь идет об элементах, которые в таблице Менделеева идут сразу за плутонием. Их называют трансплутониевыми, и с ними все особенно сложно. Ученые знают об их химии до обидного мало. Чтобы хоть как-то  прогнозировать их поведение, исследователи частенько идут на хитрость: берут не радиоактивные аналоги — лантаноиды, — и по ним пытаются угадать, как будут вести себя тяжелые актиноиды. Мол, похожи, и ладно.

Но в этом исследовании решили не гадать на кофейной гуще, а пошли другим путем. Химики придумали, как сильно упростить и ускорить синтез соединений как раз с этими самыми трансплутониевыми элементами. И вот тут-то им удалось впервые честно и напрямую сравнить «подопытных» лантаноидов с настоящими актиноидами. И что же выяснилось? А то, что актиноиды — ребята с характером. Они настолько уникальны, что предсказать их повадки, просто глядя на лантаноиды, практически невозможно. Химия у них своя собственная, и сюрпризы она преподносит регулярно.

Благодаря новой методике теперь можно ставить эксперименты с этими капризными элементами быстро и эффективно. Секрет в особых «клетках» — полиоксометаллатных лигандах, которые ловят атомы актиноидов. Исследователям теперь достаточно крошечных образцов таких соединений, чтобы изучить их структуру, колебания атомов и оптические свойства. Это настоящий прорыв с прикладной точки зрения: и затраты на эксперименты снижаются в разы, и работать с радиоактивностью безопаснее. Например, нового вещества теперь нужно в сто раз меньше, чем требовали старые методы. Ученые уже опробовали этот подход на америции и кюрии и смогли напрямую сравнить их с лантаноидами в одинаковых условиях. Вывод простой: только личное знакомство с актиноидами, без дешевых подмен, позволит нам разобраться в их истинной природе.

Полиоксометаллатные лиганды — это сложные химические «конструкторы» или „клетки“, собранные из атомов металлов (например, вольфрама или молибдена) и кислорода. Представьте себе объемную, полую внутри молекулу, похожую на футбольный мяч или раковину. Ученые используют эти „клетки“, чтобы поймать внутрь и удержать атом другого элемента, например, радиоактивного америция. Благодаря своим размерам и форме, такая клетка надежно фиксирует пойманный атом и позволяет изучать его свойства, не давая ему вступать в хаотичные реакции или „убегать“. В данном исследовании эти лиганды выступили в роли универсальной платформы, чтобы посадить в идеально одинаковые условия и лантаноиды, и актиноиды, и посмотреть, кто как себя поведет.

Результаты говорят сами за себя: актиноиды живут по своим законам. Даже если посадить их в одно и то же химическое окружение (в ту самую полиоксометаллатную клетку), лантаноиды и актиноиды ведут себя по-разному. И дело тут не просто в размере атомов, как считали раньше. Кристаллы, которые строят америций и кюрий, получились такими причудливыми, что ни один ученый не смог бы их предсказать, опираясь на опыт с лантаноидами.

Теперь, когда это стало ясно, можно двигаться дальше и создавать специальные полиоксометаллатные ловушки, заточенные именно под актиноиды. Это открывает новые пути для разделения элементов, которые так нужны в атомной промышленности. Оказалось, что эти лиганды умеют усиливать даже крошечные различия между элементами, делая их заметными. И если раньше считалось, что ионы натрия или цезия, которые болтаются в растворе для баланса заряда, просто наблюдатели, то теперь выяснилось: они тоже влияют на итоговую конструкцию, причем по-разному для лантаноидов и актиноидов. Атомы актиноидов заставляют всю молекулярную конструкцию изгибаться и скручиваться особым образом, и это видно даже на дальних подступах. Все это дает нам в руки ключи к созданию систем, которые будут безошибочно отличать опасные радионуклиды от безобидных элементов, а значит, ловить их и разделять с ювелирной точностью.

Это исследование — глоток свежего воздуха в довольно застойной области химии актиноидов. Польза здесь как минимум трехслойная.

• Во-первых, для фундаментальной науки мы наконец-то перестаем гадать на ромашке. Десятилетиями мы строили модели поведения трансурановых элементов, отталкиваясь от данных по лантаноидам. Это было вынужденной мерой, но теперь мы получили доказательства, что этот подход может приводить к фатальным ошибкам. Мы теперь точно знаем, что 5f-электроны (те самые, которые отвечают за уникальность актиноидов) творят совершенно иную химию, чем 4f у лантаноидов. Это перевернет учебники по неорганической химии и заставит переписать главы, касающиеся элементов конца таблицы Менделеева.
• Во-вторых, реальная польза для ядерной энергетики и переработки отходов. Разделение америция и кюрия, а также отделение их от продуктов деления — одна из самых головных болей радиохимиков. Сейчас это адски дорого и сложно из-за их схожести. Но разница, как выяснилось, есть, и полиоксометаллаты ее усиливают. Если мы научимся управлять этим эффектом на практике, мы сможем создавать селективные сорбенты или экстрагенты. Это позволит, например, выделять короткоживущие изотопы для медицинских целей или, наоборот, убирать наиболее опасные долгоживущие компоненты из радиоактивных отходов, чтобы потом захоронить их с меньшим риском для окружающей среды. По сути, мы получаем инструмент для ювелирной «чистки» ядерного наследия.
• В-третьих, это безопасность. Снижение необходимого количества изотопа в 100 раз — это не просто экономия денег. Это возможность работать с материалами, которые раньше были доступны лишь единичным лабораториям в мире. Теперь исследования могут стать более массовыми, а значит, прогресс в этой области пойдет быстрее. Меньше радиоактивного материала в пробирке — ниже дозовые нагрузки на исследователя и проще требования к защитному оборудованию. Это как перейти с работы в открытом космосе на дистанционное управление ровером.

Главное замечание касается универсальности выводов. Авторы блестяще показали уникальность актинидов на примере полиоксометаллатных лигандов. Но насколько этот результат можно распространить на всю химию трансурановых элементов? Полиоксометаллаты — это очень специфическая, «жесткая» и объемная координационная среда. Они диктуют свои жесткие условия и могут „выпячивать“ одни эффекты, полностью нивелируя другие. Тот факт, что в этой конкретной „клетке“ лантаноиды и актиноиды ведут себя по-разному, не означает автоматически, что они будут так же разительно отличаться в других, более привычных химических окружениях, например, в водных растворах простых солей или в оксидных матрицах. Возможно, мы наблюдаем эффект, усиленный самой ловушкой, а не фундаментальное свойство, которое проявится в любых условиях.

Кроме того, немного смущает роль щелочных металлов. Авторы сделали интересное наблюдение, что натрий и цезий — не просто зрители, а активные участники. Это открытие заслуживает отдельного и гораздо более глубокого исследования. Пока же это выглядит как красивая гипотеза, требующая проверки. Без понимания механизма этого влияния (меняют ли они электронную плотность, работают ли как шаблоны для сборки структуры) мы не можем быть уверены, что в следующем эксперименте, взяв другой противоион, мы не получим прямо противоположный результат и не сделаем ошибочный вывод о «фундаментальной уникальности».

Ранее ученые выяснили, как актиноиды держатся за соседей.