Une nouvelle technique simplifie la synthèse des composés à base d’éléments lourds

Les composés moléculaires contenant des éléments lourds, comme l’américium, le curium et d’autres, peuvent désormais être synthétisés de manière simplifiée et efficace grâce à une nouvelle technique développée par les chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL).

Cette nouvelle voie peut aider les scientifiques à réaliser des analyses chimiques en série avec des éléments radioactifs et pourrait être utilisée pour accélérer la R&D pour la gestion des déchets nucléaires et des produits radiopharmaceutiques. Dans deux articles parus dans Communications chimiques et le JACS AuLes scientifiques du LLNL décrivent comment la nouvelle technique conduira à des moyens innovants de séparer les éléments et d’étudier les propriétés des radio-isotopes difficiles à étudier.

Les articles soulignent la création d’une grande série de nouveaux composés (20 nouvelles structures cristallines), dont le premier composé polyoxométallate d’américium trivalent et deux nouveaux composés avec du curium. Le curium est resté un élément insaisissable, avec seulement sept structures cristallines de composés moléculaires de curium signalées depuis sa découverte en 1944 jusqu’en 2020. Les scientifiques du LLNL en ont découvert cinq nouvelles au cours des deux dernières années.

« Nous disposons d’une nouvelle plateforme chimique pour fabriquer et étudier des composés contenant pratiquement n’importe quel actinide », a déclaré Ian Colliard, chercheur postdoctoral du LLNL et co-auteur des articles. « Nous utilisons mille fois moins de matériaux (microgrammes contre milligrammes), ce qui nous permet d’aller plus vite, de fabriquer beaucoup plus de nouveaux composés et cela coûte moins cher au ministère de l’Énergie. »

Les scientifiques en savent beaucoup moins sur les actinides lourds (éléments autres que le plutonium) que sur les autres éléments du tableau périodique, car ils sont extrêmement difficiles à produire et sont à la fois radioactifs et toxiques. Par exemple, alors que les scientifiques qui travaillent sur des éléments plus traditionnels (par exemple, le fer, le cuivre, le plomb ou l’or) peuvent acheter une quantité presque illimitée de produits chimiques auprès de nombreux fournisseurs pour leurs expériences, les chimistes spécialisés dans les actinides ne peuvent obtenir que quelques milligrammes par an ou moins d’éléments comme le curium, l’américium et d’autres.

Les matières premières sont très limitées et donc très chères (généralement plus de 50 000 dollars pour quelques milligrammes de curium). Ces substances sont également soumises à des autorisations réglementaires car il s’agit de matières nucléaires et les déchets issus des expériences doivent être gérés correctement.

« L’utilisation de cette nouvelle plateforme chimique nous permet d’aller plus loin dans les détails de la chimie des actinides et de voir des choses qui n’étaient pas accessibles avec les systèmes chimiques et les stratégies de synthèse antérieurs », a déclaré Gauthier Deblonde, scientifique et co-auteur du LLNL. « Les nouvelles propriétés que nous découvrons, comme la formation de composés spécifiques aux actinides, auront des implications allant des séparations chimiques aux nouveaux médicaments radiopharmaceutiques et potentiellement à la gestion des déchets nucléaires. »

Une méthode courante en chimie des actinides consiste à réaliser des expériences avec des substituts de lanthanides, les éléments non radioactifs situés juste au-dessus des actinides dans le tableau périodique, et à considérer que les actinides se comporteraient de la même manière. Jusqu’à présent, il n’existait pas non plus de système efficace pour comparer les structures chimiques des composés d’actinides et de lanthanides, car les expériences ne pouvaient pas être réalisées de la même manière, ou les molécules utilisées ne conduiraient pas à des composés pouvant être comparés de manière identique.

La nouvelle recherche fournit un système chimique innovant et polyvalent où l’équipe a synthétisé et caractérisé des composés avec de l’américium et du curium (actinides) ainsi que la série complète des lanthanides (du lanthane au lutétium).

« Nous avons obtenu une série complète et cohérente de composés, ce qui nous a permis de révéler le véritable impact de la chimie des actinides par rapport à celle des lanthanides », a déclaré Colliard. « Dans cette série d’environ 20 nouveaux composés, nous avons observé que tous les complexes avaient une organisation à courte portée similaire, mais que l’organisation à longue portée était vraiment différente. C’était vraiment inattendu. »

Il s’est avéré que les actinides forment leurs propres structures – de nouvelles structures – qui n’ont jamais été observées avec les lanthanides.

« Nous fournissons un ensemble de preuves expérimentales sans équivoque que la chimie des actinides ne peut pas être prédite uniquement sur la base de la chimie des lanthanides », a déclaré Deblonde. « Les résultats montrent également une différence fondamentale claire entre les éléments actinides et lanthanides, ce qui conduira à de nouveaux développements dans la chimie des éléments lourds, même les plus rares comme l’actinium et les éléments trans-curium. »