Riciclaggio degli ioni per la ricerca sugli elementi più pesanti
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Presso la struttura ISOLDE del CERN è stato sviluppato un nuovo metodo per comprendere meglio le proprietà chimiche e la reattività degli elementi più rari e meno studiati. La dottoressa Franziska Maier, dottoranda di Greifswald, è stata in prima linea in questo lavoro al CERN. Il metodo è molto promettente: i ricercatori sospettano che potrebbe diventare importante anche per lo sviluppo di composti chimici per il trattamento del cancro.
Dalla combustione del legno agli effetti dei farmaci, le proprietà e il comportamento della materia sono determinati dal modo in cui gli elementi chimici si combinano tra loro. Per molti dei 118 elementi conosciuti, le complesse strutture elettroniche degli atomi, responsabili dei legami chimici, sono ben comprese. Ma per gli elementi superpesanti, che si trovano all'estremità della tavola periodica, ogni misurazione rappresenta una sfida importante.
In un nuovo studio, Franziska Maier e i suoi colleghi della struttura ISOLDE del CERN riferiscono di aver dimostrato un metodo innovativo. Ciò promette enormi progressi nella decifrazione della chimica degli elementi (super)pesanti. Il nuovo approccio ha anche potenziali applicazioni nella ricerca di base in fisica e nello sviluppo di metodi medici.
Metodo sviluppato sulla base di una trappola ionica Gli elementi superpesanti sono estremamente instabili e possono essere prodotti solo in quantità minime negli acceleratori di particelle. Per questo motivo i nuovi metodi vengono inizialmente testati su elementi stabili. Il team di ricerca dell'ISOLDE ha sviluppato un nuovo metodo basato su una trappola ionica per misurare con precisione l'affinità elettronica di atomi e molecole.
L'affinità elettronica è l'energia che viene rilasciata quando un elettrone viene aggiunto a un atomo neutro, creando uno ione negativo, il cosiddetto anione. È una delle proprietà fondamentali di un elemento e determina in larga misura il modo in cui forma i legami chimici.
Per la dimostrazione sono stati utilizzati atomi di cloro stabili. Il nuovo sviluppo ha permesso di effettuare misurazioni con un numero di atomi centomila volte inferiore rispetto a tutti gli esperimenti precedenti. Ciò apre la possibilità di determinare l'affinità elettronica anche degli elementi superpesanti.
Nelle misure convenzionali dell'affinità elettronica, gli anioni dell'elemento in questione vengono inviati attraverso il raggio di un laser. Variando la frequenza del laser, è possibile determinare l'esatta energia del fotone al quale l'elettrone aggiuntivo si stacca dall'anione: questa energia corrisponde all'affinità elettronica dell'atomo neutro. Tuttavia, per gli elementi (super)pesanti instabili, che vengono prodotti solo con pochi anioni al secondo o anche meno frequentemente, un singolo passaggio attraverso il raggio laser non è sufficiente per misurare questa energia.
Un nuovo metodo garantisce un'elevata precisione di misura nonostante il minor numero di anioni Per risolvere questo problema, i ricercatori dell'ISOLDE hanno catturato gli anioni di cloro in un cosiddetto Multi-Ion Reflection Apparatus for Collinear Laser Spectroscopy (MIRACLS). In questa trappola, gli anioni di cloro vengono riflessi più volte tra due specchi elettrostatici di ioni - simili a una pallina da ping-pong - permettendo al raggio laser di analizzare gli ioni a ogni passaggio.
"Nonostante l'utilizzo di un numero di anioni di cloro centomila volte inferiore, il nostro nuovo metodo MIRACLS raggiunge la stessa precisione di misurazione dei metodi convenzionali in cui gli anioni passano una sola volta attraverso il raggio laser. Il miglioramento si basa su circa sessantamila passaggi degli stessi ioni", spiega la dott.ssa Franziska Maier, autrice principale dello studio. "Il nostro metodo utilizza gli specchi della trappola per 'riciclare' gli anioni, aprendo così la strada alla misurazione dell'affinità elettronica negli elementi superpesanti".
La dott.ssa Franziska Maier ha effettuato le misurazioni al CERN nell'ambito del suo dottorato di ricerca nel gruppo di lavoro del Prof. Lutz Schweikhard dell'Università di Greifswald. Come aggiunge quest'ultimo, i confini tra i gruppi di elementi della tavola periodica potrebbero attenuarsi con l'aumento del numero di protoni a causa di effetti relativistici negli elementi superpesanti. "Questi effetti saranno studiati utilizzando le affinità elettroniche con il nuovo metodo di misurazione".
Molti anni di esperienza nella costruzione e nell'applicazione di trappole a fascio di ioni elettrostatiche Il gruppo di lavoro di Greifswald ha molti anni di esperienza nella costruzione e nell'applicazione di trappole a fascio di ioni elettrostatiche. "Uno spettrometro di massa a tempo di volo basato su questo principio è stato costruito a Greifswald oltre dieci anni fa e poi portato al CERN. Ancora oggi viene utilizzato per la determinazione di alta precisione delle masse di nuclei atomici esotici", riferisce il Prof. Schweikhard. "Un altro dispositivo di questo tipo viene utilizzato a Greifswald per analizzare gli ammassi atomici". Anche la trappola ionica utilizzata nei nuovi esperimenti del CERN è stata costruita originariamente a Greifswald. Al CERN è stata ulteriormente sviluppata dal team internazionale MIRACLS, guidato da Stephan Malbrunot-Ettenauer, per misurare l'affinità degli elettroni e integrata con i laser necessari.
Oltre a misurare le elusive affinità elettroniche degli elementi superpesanti, il metodo MIRACLS potrebbe essere applicato anche agli elementi rari presenti sulla Terra, come l'attinio che, come l'astatina, è un candidato promettente per lo sviluppo di composti chimici per il trattamento del cancro. Potrebbe anche essere utilizzato per determinare l'affinità elettronica delle molecole per supportare i calcoli teorici della loro struttura elettronica. Tali calcoli sono importanti per la ricerca sull'antimateria e sulle molecole radioattive, che vengono sempre più utilizzate come strumenti per studiare le simmetrie fondamentali della natura.
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Pubblicazione originale
F. M. Maier, E. Leistenschneider, M. Au, U. Bērziņš, Y. N. Vila Gracia, D. Hanstorp, C. Kanitz, V. Lagaki, S. Lechner, D. Leimbach, P. Plattner, M. Reponen, L. V. Rodriguez, S. Rothe, L. Schweikhard, M. Vilen, J. Warbinek, S. Malbrunot-Ettenauer; "Enhanced sensitivity for electron affinity measurements of rare elements"; Nature Communications, Volume 16, 2025-11-3
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