Un’alchimia moderna? Una nuova tecnica studia gli elementi sintetici

Simili agli alchimisti medievali che tentavano di trasformare in oro metalli di base come il piombo, gli scienziati rivolgono attenzioni crescenti alla produzione e all’analisi di elementi superpesanti che non esistono al di fuori del laboratorio. Sintetizzati un atomo alla volta impiegando grandi acceleratori, gli elementi superpesanti aiutano i ricercatori a gettare nuova luce sul comportamento della materia nell’universo. Tali elementi, che si trovano nella parte inferiore della tavola periodica degli elementi, contengono molti protoni nel nucleo e non sono presenti naturalmente all’interno della crosta terrestre, ma esistono brevemente solo in condizioni rigidamente controllate. Gli elementi superpesanti sono radioattivi e decadono rapidamente, spesso in una frazione di secondo, il che permette di analizzarli solo per un breve lasso di tempo.

Con il sostegno del progetto LRC, finanziato dall’UE, un gruppo di scienziati ha proposto una nuova tecnologia per la misurazione degli spettri di ioni negli elementi superpesanti con numero atomico superiore a 102. Il termine spettro si riferisce alle caratteristiche lunghezze d’onda della radiazione elettromagnetica emessa o assorbita da un oggetto, sostanza, atomo o molecola che subisce una transizione da uno stato energetico superiore a uno stato energetico inferiore. I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulle riviste «Physical Review Letters» e «Physical Review A».

Secondo un comunicato stampa dell’Università Johannes Gutenberg di Magonza, che ha ospitato il progetto LRC, nonostante gli elementi superpesanti siano stati scoperti da decenni, il loro studio tramite strumenti di spettroscopia ottica «è molto più indietro rispetto alla sintesi. Ciò accade perché questi elementi vengono prodotti a tassi estremamente bassi, per i quali i metodi tradizionali semplicemente non funzionano. Per ora l’impiego della spettroscopia ottica termina con il nobelio, l’elemento 102 sulla tavola periodica». Citato all’interno del medesimo comunicato stampa, il dott. Mustapha Laatiaoui commenta: «Le attuali tecniche sono al limite delle odierne possibilità. Dal successivo elemento più pesante in poi, le proprietà fisico-chimiche cambiano bruscamente e non permettono di fornire campioni in uno stato atomico adeguato».Come spiegato nel comunicato stampa dell’Università Johannes Gutenberg, il nuovo approccio alla spettroscopia ottica basato sulla cromatografia a risonanza laser (LCR, Laser Resonance Chromatography), adottato dai ricercatori, «unisce la selettività agli elementi e la precisione dello spettro, proprie della spettroscopia laser, alla spettrometria di massa per mobilità ionica; inoltre, combina i vantaggi dell’elevata sensibilità con la “semplicità” di una sonda ottica, come nella spettroscopia di fluorescenza indotta da laser». Il comunicato stampa aggiunge: «L’idea chiave è quella di rilevare i prodotti delle eccitazioni ottiche di risonanza non sulla base della luce fluorescente, come normalmente avviene, ma in base al loro caratteristico tempo di deriva in un rilevatore di particelle».

Lo studio è stato incentrato sul «laurenzio caricato singolarmente, l’elemento 103, e sul suo omologo chimico più leggero. Tuttavia, il concetto offre un accesso senza precedenti alla spettroscopia laser per molti altri ioni monoatomici della tavola periodica, in particolare per i metalli di transizione, inclusi i metalli refrattari ad elevata temperatura e gli elementi successivi al laurenzio», come affermato nel medesimo comunicato stampa. «Anche altri tipi di ioni quali il torio a carica tripla potrebbero essere alla portata dell’approccio LRC. Inoltre, il metodo permette di ottimizzare il rapporto segnale/rumore e dunque di facilitare la spettrometria per mobilità ionica, la chimica ionica a stato selezionato e altre applicazioni».

I ricercatori ritengono che la caratterizzazione spettroscopica degli elementi superpesanti sia di cruciale importanza per la cosmologia, l’astrofisica e il progresso della teoria della struttura atomica, e intendono impiegare la nuova tecnica per altri elementi superpesanti successivi al laurenzio. Il progetto LRC (Laser Resonance Chromatography of Superheavy Metals) si protrarrà fino a maggio 2024.