В лаборатории имени Лоуренса в Беркли случилось событие, которое заставит переписать пару абзацев в учебниках по химии. Ученые впервые смогли подружить тяжелый радиоактивный металл берклий с углеродом и получили новую молекулу. Ее назвали «берклоцен».

Чтобы было понятнее, о чем речь. Есть такие элементы — актиниды. Они стоят в самой низу таблицы Менделеева. Самые известные из них — уран и плутоний. Ученые уже давно умеют делать для ранних актинидов, вроде урана, сложные органические молекулы. Это когда атом металла окружает углеродная клетка. Такие соединения называют металлоорганическими. Но чем дальше мы двигаемся по таблице, тем тяжелее и капризнее становятся элементы. Добраться до берклия (атомный номер 97) и заставить его работать с углеродом никому до сих пор не удавалось.

Стефан Минасян, один из авторов исследования, объясняет: раньше у нас не было доказательств, что берклий вообще способен создавать связь с углеродом. Теперь мы знаем, что способен, и это меняет взгляд на то, как ведут себя тяжелые элементы в компании своих соседей по таблице.

Подробности опубликованы в издании Science.

Сам берклий — штука легендарная. Его открыл в Беркли еще в 1949 году Гленн Сиборг — тот самый химик-ядерщик, который потом получил Нобелевскую премию. Так что название «берклоцен» не только научное, но и дань уважения месту, где все случилось.

Почему же никто не сделал этого раньше? Во-первых, берклий жутко радиоактивен. Во-вторых, на всей планете его производят в год крошечные количества, буквально пылинки. В-третьих, сама реакция проходит в условиях, где нет воздуха: органика с металлами часто вспыхивает на воздухе, как порох. Нужно было защитить вещество от кислорода и одновременно защитить ученых от радиации. Таких лабораторий в мире — единицы.

Команда под руководством Полли Арнольд и Ребекки Абергель справилась с задачей. Они сконструировали специальные перчаточные боксы, где можно работать без воздуха с опасными изотопами. И с ничтожным количеством вещества — всего 0,3 миллиграмма берклия-249 — провели рентгеновский анализ. Представьте себе: крупинка меньше песчинки, а на ней видно целую конструкцию.

И они ее увидели. Молекула оказалась симметричной: атом берклия зажат между двумя углеродными кольцами, как котлета в бутерброде. Этакий «сэндвич». Ученые назвали его берклоценом в честь ураноцена — похожей молекулы с ураном, которую придумали в том же университете полвека назад.

Но самое интересное началось, когда результаты обработали на компьютере в Университете Буффало. Оказалось, что берклий в центре этой молекулы находится в необычном для себя состоянии — со степенью окисления +4. Это было сюрпризом.

Раньше все думали, что берклий по химии похож на свой аналог из другой группы элементов — тербий. Но нет, говорит Минасян, таблица Менделеева иногда преподносит сюрпризы. Берклию оказалось гораздо комфортнее быть «четырехвалентным», чем походить на соседей. Это значит, что наши модели того, как ведут себя тяжелые элементы, пока несовершенны.

А знать это важно не просто из любопытства. Понимание того, как меняются свойства актинидов, нужно для решения насущных проблем. Например, для переработки ядерных отходов или очистки территорий, где хранилось радиоактивное топливо. Чем лучше мы понимаем логику природы на атомном уровне, тем точнее можем предсказывать поведение этих опасных материалов в реальной жизни.

С точки зрения фундаментальной науки, это открытие — как недостающий кусочек пазла. Мы наконец-то увидели, как выглядит химическая связь берклия с углеродом. Это позволяет проверить теории, которые предсказывают поведение электронов в тяжелых элементах. Оказалось, что наши старые модели слегка ошибались: берклий предпочел другую «валентность». Теперь теоретикам придется пересчитывать свои уравнения для всей группы актинидов. Это уточнит периодический закон для самых тяжелых элементов.

Практическая польза здесь не сиюминутная, а стратегическая. Речь идет о ядерной энергетике и экологии. В отработавшем ядерном топливе содержится целый «букет» актинидов, включая берклий. Чтобы придумать, как безопасно захоронить отходы или, наоборот, как разделить их на фракции для переработки, нужно понимать химию каждого элемента. Если мы знаем, что берклий в определенных условиях охотно берет на себя четыре положительных заряда и крепко держится за углерод, это можно использовать. Например, создать селективные сорбенты или экстрагенты, которые будут вылавливать конкретные актиниды из сложных растворов. Это прямой путь к технологиям очистки радиоактивных сточных вод.

А теперь посмотрим правде в глаза: работа проведена на фантастически малых количествах вещества. Мы имеем дело с единичными кристаллами и следами изотопа. Вопрос в том, насколько поведение одного атома в такой экзотической обстановке (в «сэндвиче» между углеродными кольцами) соответствует поведению макроскопического количества берклия в реальных химических процессах. Нет ли здесь риска принять уникальные свойства единичной модельной молекулы за общее правило? В химии актинидов случаи, когда координационное окружение полностью меняет электронную конфигурацию металла, не редкость. Прежде чем говорить о пересмотре места берклия в периодической таблице, неплохо бы воспроизвести результат в других лигандах и в больших масштабах. Но учитывая, что добыть миллиграмм берклия — уже подвиг, произойдет это еще очень не скоро.

Ранее ученые исследовали строение ядер химических элементов с помощью лазеров.