An den Grenzen der Chemie: Eigenschaften des bisher schwersten untersuchten Elements gemessen

Unter Federführung von Gruppen aus Darmstadt und Mainz wurden mithilfe der Beschleunigeranlagen von GSI/FAIR die beiden langlebigsten aktuell bekannten Flerovium-Isotope Flerovium-288 und Flerovium-289 erzeugt und am Experimentaufbau TASCA chemisch untersucht. Im Periodensystem steht Flerovium unterhalb des Schwermetalls Blei. Frühe Vorhersagen hatten aber postuliert, dass relativistische Effekte der hohen Ladung im Kern des superschweren Elements auf dessen Valenzelektronen zu einem edelgasähnlichen Verhalten führen, während neuere eher ein schwach metallisches Verhalten erwarten ließen. Zwei zuvor durchgeführte Chemieexperimente, eines davon 2009 bei GSI in Darmstadt, führten zu widersprüchlichen Interpretationen. Während aus den im ersten Experiment beobachteten drei Atomen auf ein edelgasähnliches Verhalten geschlossen wurde, deuteten die bei GSI gewonnenen Daten anhand von zwei Atomen auf metallischen Charakter. Die beiden Experimente waren nicht in der Lage, den Charakter zweifelsfrei festzulegen. Die neuen Ergebnisse zeigen, dass Flerovium wie erwartet reaktionsträge, aber bei geeigneten Bedingungen in der Lage ist, stärkere chemische Bindungen als Edelgase zu bilden. Flerovium ist folglich das flüchtigste Metall im Periodensystem.

Flerovium ist somit das schwerste chemische Element, dessen Charakter experimentell untersucht ist. Mit der Bestimmung der chemischen Eigenschaften bestätigen GSI/FAIR ihre führende Position in der Erforschung der superschweren Elemente. „Die Erforschung der Grenzen des Periodensystems stellen seit Beginn bei GSI und künftig auch bei FAIR einen Pfeiler des Forschungsprogramms dar. Dass anhand einiger weniger Atome bereits erste grundlegende chemische Eigenschaften erforscht werden können und damit einen Hinweis geben, wie sich größere Mengen dieser Substanzen verhalten würden, ist faszinierend und der leistungsfähigen Beschleunigeranlage sowie der Expertise der weltweiten Kollaboration zu verdanken“, führt Professor Paolo Giubellino, Wissenschaftlicher Geschäftsführer von GSI und FAIR, aus. „Mit FAIR holen wir das Universum ins Labor und untersuchen die Grenzen der Materie, auch der chemischen Elemente.“

Sechs Wochen Experimentierbetrieb

Die bei GSI/FAIR durchgeführten Experimente zur Klärung des chemischen Charakters von Flerovium dauerten insgesamt sechs Wochen. Dazu wurden jede Sekunde vier Billionen Calcium-48-Ionen vom GSI-Linearbeschleuniger UNILAC auf zehn Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und auf ein Target mit Plutonium-244 geschossen, was zur Bildung von einigen wenigen Flerovium-Atomen pro Tag führte.

Die gebildeten Flerovium-Atome schossen aus dem Target in den gasgefüllten Rückstoß-Separator TASCA. In dessen Magnetfeld wurden die gebildeten Isotope Flerovium-288 und Flerovium-289, welche Lebensdauern im Bereich einer Sekunde aufweisen, vom intensiven Calcium-Ionenstrahl und von Nebenprodukten der Kernreaktion abgetrennt, durch eine dünne Folie in die Chemieapparatur gelenkt und in einer Helium/Argon-Gasmischung abgestoppt. Die Gasmischung transportierte die Atome in die Gaschromatographieapparatur COMPACT, in welcher sie zuerst mit Quarzoberflächen in Kontakt kamen. Sofern die Bindung an Quarz zu schwach war, wurden die Atome über Goldoberflächen weitertransportiert – erst solche, die auf Raumtemperatur gehalten waren, und danach über immer kältere bis etwa -160 °C. Die Oberflächen waren als dünne Beschichtung auf speziellen Kernstrahlungsdetektoren aufgebracht. Der Nachweis der einzelnen Atome erfolgte über die ortsaufgelöste Detektion des radioaktiven Zerfalls. Da die Zerfallsprodukte selbst nach kurzer Lebensdauer radioaktiv zerfallen, hinterlässt jedes Atom eine charakteristische Signatur von mehreren Ereignissen, aus welcher zweifelsfrei auf das Vorhandensein eines Flerovium-Atoms geschlossen werden kann.

Ein Atom pro Woche für die Chemie

„Dank der Kombination des TASCA-Separators, der chemischen Separation und der Detektion der radioaktiven Zerfälle sowie der technischen Weiterentwicklung der Gaschromatographieapparatur seit dem ersten Experiment ist es gelungen, die Effizienz zu erhöhen und die für die chemische Trennung notwendige Zeit soweit zu verringern, dass wir jede Woche ein Flerovium-Atom beobachten konnten“, erläutert Dr. Alexander Yakushev von GSI/FAIR, der Sprecher der internationalen Experimentkollaboration.

In der Datenanalyse wurden sechs solche Zerfallsketten gefunden. Da der Aufbau demjenigen aus dem ersten GSI-Experiment ähnelt, konnten die neu gewonnenen Daten mit den zwei damals beobachteten Atomen vereint und gemeinsam analysiert werden. Keine der Zerfallsketten erschien im Bereich des quarzbeschichteten Detektors, was darauf deutet, dass Flerovium keine substantielle Bindung mit Quarz eingeht. Stattdessen wurden alle innerhalb von weniger als einer Zehntelsekunde mit dem Gas in den goldbeschichteten Teil der Apparatur transportiert. Die acht Ereignisse bilden zwei Zonen: eine erste im Bereich der Goldoberfläche bei Raumtemperatur, und eine zweite im späteren Teil des Chromatographen, bei so tiefen Temperaturen, dass eine ganz dünne Eisschicht das Gold bedeckte, so dass die Adsorption auf Eis erfolgte.

Aus Experimenten mit Blei-, Quecksilber- und Radonatomen, welche als Vertreter der Schwermetalle, der schwach reaktiven Metalle sowie der Edelgase dienten, war bekannt, dass Blei mit Quarz eine starke Bindung eingeht, während Quecksilber den Golddetektor erreicht. Radon fliegt bei Raumtemperatur sogar über den ersten Teil des Golddetektors und wird erst bei den tiefsten Temperaturen teilweise festgehalten. Mit diesem Verhalten konnten die Flerovium-Ergebnisse verglichen werden.

Offensichtlich wurden zwei Arten der Wechselwirkung einer Flerovium-Spezies mit der Goldoberfläche beobachtet. Die Abscheidung auf Gold bei Raumtemperatur deutet auf die Ausbildung einer verhältnismäßig starken chemischen Bindung hin, wie sie bei Edelgasen nicht auftritt. Andererseits scheint ein Teil der Atome nie die Gelegenheit zur Bildung solcher Bindungen gehabt zu haben und wurde über lange Strecken der Goldoberfläche transportiert, bis zu den tiefsten Temperaturen. Dieser Detektorbereich stellt eine Falle für alle Elementarten dar. Dieses komplizierte Verhalten ist durch die Morphologie der Goldoberfläche erklärbar: Sie besteht aus kleinen Goldclustern, an deren Grenzen sehr reaktive Stellen auftreten, welche offenbar dem Flerovium eine Bindung ermöglichen. Dass ein Teil der Flerovium-Atome den kalten Bereich erreichen konnte, deutet darauf hin, dass nur die Atome, die auf solche Stellen trafen, eine Bindung eingingen, im Gegensatz zu Quecksilber, das auf jeden Fall auf Gold zurückgehalten wurde. Damit ist die chemische Reaktivität von Flerovium schwächer als diejenige des flüchtigen Metalls Quecksilber. Die aktuellen Daten können nicht vollständig ausschließen, dass die erste Abscheidezone auf Gold bei Raumtemperatur auf die Bildung von Flerovium-Molekülen zurückzuführen ist. Auch aus dieser Hypothese folgt, dass Flerovium chemisch reaktiver ist als ein Edelgaselement.

Internationale und interdisziplinäre Zusammenarbeit als Schlüssel zum Verständnis

Das exotische Plutonium-Targetmaterial zur Herstellung des Fleroviums wurde teilweise durch das Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), USA, zur Verfügung gestellt. Im Department Chemie am Standort TRIGA der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) wurde das Material elektrolytisch auf dünne, bei GSI/FAIR hergestellte Titanfolien abgeschieden. „Es ist weltweit nicht viel von diesem Material verfügbar, und wir haben das Glück, dass wir es für diese Experimente verwenden konnten, die sonst nicht möglich wären“, sagt Dr. Dawn Shaughnessy, Leiterin der Abteilung für Kern- und Chemische Wissenschaften bei LLNL. „Diese internationale Zusammenarbeit bringt Fähigkeiten und Fachwissen aus der ganzen Welt zusammen, um schwierige wissenschaftliche Probleme zu lösen und langjährige Fragen zu beantworten, wie beispielsweise die chemischen Eigenschaften von Flerovium.“

„Unser Beschleunigerexperiment wurde durch eine detaillierte Untersuchung der Detektoroberfläche in Zusammenarbeit mit mehreren GSI-Abteilungen sowie dem Department Chemie und dem Institut für Physik an der JGU ergänzt. Dies hat sich als Schlüssel zum Verständnis des chemischen Charakters von Flerovium erwiesen. Damit sind nun auch die Daten der beiden früheren Experimente verständlich und mit unseren neuen Schlussfolgerungen kompatibel“, sagt Christoph Düllmann, Professor für Kernchemie an der JGU und Leiter der Arbeitsgruppen bei GSI und am Helmholtz-Institut Mainz (HIM), einer Kooperation von GSI und JGU.

Wie sich die relativistischen Effekte auf seine Nachbarn, die ebenfalls erst in den letzten Jahren offiziell anerkannten Elemente Nihonium (Element 113) und Moscovium (Element 115) auswirken, ist Gegenstand nachfolgender Experimente. Dabei wurden im Rahmen des FAIR-Phase-0-Programms bei GSI bereits erste Daten gewonnen. Weiterhin erwarten die Forschenden, dass deutlich stabilere Flerovium-Isotope existieren, allerdings sind diese bisher nicht gefunden worden. Die Forschenden wissen nun allerdings schon, dass sie ein metallisches Element zu erwarten haben.

An dem Experiment waren neben GSI/FAIR und JGU auch das HIM, die Universität Liverpool (UK), die Universität Lund (Schweden), die Universität Jyväskyla (Finnland), die Universität Oslo (Norwegen), das Institut für Elektronentechnologie (Polen), das Lawrence Livermore National Lab (USA), das Saha Institute of Nuclear Physics und das Indian Institute of Technology Roorkee (Indien), die Joint Atomic Energy Agency und das Forschungszentrum RIKEN (Japan) sowie die Australische Nationalunversität (Australien) beteiligt.