Repousser les limites de la chimie : Mesure des propriétés de l'élément le plus lourd étudié à ce jour

Sous la direction des groupes de Darmstadt et de Mayence, les deux isotopes de flérovium à la durée de vie la plus longue actuellement connus, le flérovium-288 et le flérovium-289, ont été produits à l'aide des installations d'accélération du GSI/FAIR et ont été étudiés chimiquement dans le dispositif expérimental TASCA. Dans le tableau périodique, le flérovium est placé sous le métal lourd qu'est le plomb. Cependant, les premières prédictions avaient postulé que les effets relativistes de la charge élevée du noyau de l'élément superlourd sur ses électrons de valence conduiraient à un comportement de type gaz noble, alors que des prédictions plus récentes avaient plutôt suggéré un comportement faiblement métallique. Deux expériences de chimie menées précédemment, dont l'une au GSI de Darmstadt en 2009, ont conduit à des interprétations contradictoires. Alors que les trois atomes observés dans la première expérience ont été utilisés pour déduire un comportement de type gaz noble, les données obtenues au GSI ont indiqué un caractère métallique sur la base de deux atomes. Les deux expériences n'ont pas permis d'établir clairement ce caractère. Les nouveaux résultats montrent que, comme prévu, le flérovium est inerte mais capable de former des liaisons chimiques plus fortes que les gaz nobles, si les conditions sont appropriées. Le flérovium est donc le métal le plus volatil du tableau périodique.

Le flérovium est donc l'élément chimique le plus lourd dont le caractère a été étudié expérimentalement. Avec la détermination des propriétés chimiques, GSI/FAIR confirment leur position de leader dans la recherche des éléments super lourds. "L'exploration des limites du tableau périodique a été un pilier du programme de recherche du GSI depuis le début et le sera encore à l'avenir pour le FAIR. Le fait que quelques atomes puissent déjà être utilisés pour explorer les premières propriétés chimiques fondamentales, donnant une indication de la façon dont de plus grandes quantités de ces substances se comporteraient, est fascinant et possible grâce à la puissante installation de l'accélérateur et à l'expertise de la collaboration mondiale", élabore le professeur Paolo Giubellino, directeur général scientifique du GSI et de FAIR. "Avec FAIR, nous faisons entrer l'univers dans le laboratoire et nous explorons les limites de la matière, y compris des éléments chimiques."

Six semaines d'expérimentation

Les expériences menées au GSI/FAIR pour préciser la nature chimique du flérovium ont duré six semaines au total. À cette fin, quatre billions d'ions calcium-48 ont été accélérés à dix pour cent de la vitesse de la lumière chaque seconde par l'accélérateur linéaire UNILAC du GSI et tirés sur une cible contenant du plutonium-244, ce qui a entraîné la formation de quelques atomes de flérovium par jour.

Les atomes de flérovium formés ont reculé de la cible dans le séparateur TASCA rempli de gaz. Dans son champ magnétique, les isotopes formés, le flérovium-288 et le flérovium-289, qui ont des durées de vie de l'ordre de la seconde, ont été séparés du faisceau intense d'ions calcium et des sous-produits de la réaction nucléaire. Ils ont traversé un film mince, pénétrant ainsi dans l'appareil de chimie, où ils ont été arrêtés dans un mélange gazeux hélium/argon. Ce mélange gazeux a poussé les atomes dans l'appareil de chromatographie en phase gazeuse COMPACT, où ils sont entrés en contact avec les surfaces d'oxyde de silicium. Si la liaison avec l'oxyde de silicium était trop faible, les atomes étaient transportés plus loin, sur des surfaces en or - d'abord celles maintenues à température ambiante, puis des surfaces de plus en plus froides, jusqu'à -160 °C environ. Les surfaces ont été déposées sous forme de couche mince sur des détecteurs de rayonnement nucléaire spéciaux, qui ont enregistré les atomes individuels par détection à résolution spatiale de la désintégration radioactive. Comme les produits de désintégration subissent une nouvelle désintégration radioactive après une courte durée de vie, chaque atome laisse une signature caractéristique de plusieurs événements à partir de laquelle la présence d'un atome de flérovium peut être déduite sans ambiguïté.

Un atome par semaine pour la chimie

"Grâce à la combinaison du séparateur TASCA, de la séparation chimique et de la détection des désintégrations radioactives, ainsi qu'au développement technique de l'appareil de chromatographie en phase gazeuse depuis la première expérience, nous avons réussi à augmenter l'efficacité et à réduire le temps nécessaire à la séparation chimique à tel point que nous avons pu observer un atome de flérovium par semaine", explique le Dr Alexander Yakushev du GSI/FAIR, porte-parole de la collaboration internationale de l'expérience.

Six chaînes de désintégration de ce type ont été découvertes lors de l'analyse des données. Comme le dispositif est similaire à celui de la première expérience du GSI, les données nouvellement obtenues ont pu être combinées avec les deux atomes observés à l'époque et analysées ensemble. Aucune des chaînes de désintégration n'est apparue dans le champ du détecteur recouvert d'oxyde de silicium, ce qui indique que le flérovium ne forme pas de liaison importante avec l'oxyde de silicium. Au contraire, toutes ont été transportées avec le gaz dans la partie de l'appareil recouverte d'or en moins d'un dixième de seconde. Les huit événements ont formé deux zones : une première dans la région de la surface de l'or à température ambiante, et une seconde dans la partie postérieure du chromatographe, à des températures si basses qu'une très fine couche de glace a recouvert l'or, de sorte que l'adsorption s'est produite sur la glace.

Les expériences réalisées avec des atomes de plomb, de mercure et de radon, qui ont servi de représentants des métaux lourds, des métaux faiblement réactifs ainsi que des gaz nobles, ont permis de savoir que le plomb forme une liaison forte avec l'oxyde de silicium, tandis que le mercure atteint le détecteur d'or. Le radon survole même la première partie du détecteur en or à température ambiante et n'est que partiellement retenu aux températures les plus basses. Les résultats du Flerovium ont pu être comparés à ce comportement.

Apparemment, deux types d'interaction d'une espèce de flérovium avec la surface de l'or ont été observés. Le dépôt sur l'or à température ambiante indique la formation d'une liaison chimique relativement forte, qui ne se produit pas dans les gaz nobles. D'autre part, certains des atomes semblent n'avoir jamais eu l'occasion de former de telles liaisons et ont été transportés sur de longues distances de la surface de l'or, jusqu'aux températures les plus basses. Cette plage de détection représente un piège pour toutes les espèces élémentaires. Ce comportement compliqué peut être expliqué par la morphologie de la surface de l'or : elle est constituée de petits amas d'or, aux limites desquels se trouvent des sites très réactifs, permettant apparemment au flerovium de se lier. Le fait que certains des atomes de flérovium aient pu atteindre la région froide indique que seuls les atomes qui ont rencontré de tels sites ont formé une liaison, contrairement au mercure, qui était de toute façon retenu sur l'or. Ainsi, la réactivité chimique du flérovium est plus faible que celle du mercure, un métal volatil. Les données actuelles ne permettent pas d'exclure complètement la possibilité que la première zone de dépôt sur l'or à température ambiante soit due à la formation de molécules de flérovium. Il découle toutefois de cette hypothèse que le flérovium est chimiquement plus réactif qu'un élément de gaz noble.

La collaboration internationale et interdisciplinaire comme clé de la compréhension

Le plutonium exotique utilisé comme cible pour la production du flérovium a été fourni en partie par le Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), aux États-Unis. Sur le site TRIGA du département de chimie de l'université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU), le matériau a été déposé par électrolyse sur de fines feuilles de titane fabriquées au GSI/FAIR. "Il n'y a pas beaucoup de ce matériau disponible dans le monde, et nous avons la chance d'avoir pu l'utiliser pour ces expériences qui ne seraient pas possibles autrement", a déclaré Dawn Shaughnessy, chef de la division des sciences nucléaires et chimiques au LLNL. "Cette collaboration internationale rassemble les compétences et l'expertise du monde entier pour résoudre des problèmes scientifiques difficiles et répondre à des questions de longue date, telles que les propriétés chimiques du flerovium."

"Notre expérience sur l'accélérateur a été complétée par une étude détaillée de la surface du détecteur en collaboration avec plusieurs départements du GSI ainsi que le département de chimie et l'institut de physique de la JGU. Cette étude s'est avérée essentielle pour comprendre le caractère chimique du flerovium. En conséquence, les données des deux expériences précédentes sont désormais compréhensibles et compatibles avec nos nouvelles conclusions", explique Christoph Düllmann, professeur de chimie nucléaire à la JGU et chef des groupes de recherche au GSI et à l'Institut Helmholtz de Mayence (HIM), une collaboration entre le GSI et la JGU.

La façon dont les effets relativistes affectent ses voisins, les éléments nihonium (élément 113) et moscovium (élément 115), qui n'ont également été officiellement reconnus que ces dernières années, fait l'objet d'expériences ultérieures. Les premières données ont déjà été obtenues dans le cadre du programme FAIR Phase 0 au GSI. En outre, les chercheurs s'attendent à ce qu'il existe des isotopes beaucoup plus stables du flerovium, mais ceux-ci n'ont pas encore été trouvés. Cependant, les chercheurs savent d'ores et déjà qu'ils peuvent s'attendre à trouver un élément métallique.

Outre le GSI/FAIR et la JGU, le HIM, l'Université de Liverpool (Royaume-Uni), l'Université de Lund (Suède), l'Université de Jyväskyla (Finlande), l'Université d'Oslo (Norvège), l'Institut de technologie électronique (Pologne), le Lawrence Livermore National Laboratory (États-Unis), le Saha Institute of Nuclear Physics et l'Indian Institute of Technology Roorkee (Inde), la Joint Atomic Energy Agency et le RIKEN Research Center (Japon) ainsi que l'Australian National University (Australie) ont participé à l'expérience.