Diamanten helfen beim Atommüll?

Schwerere Elemente zwischen Diamanten zu quetschen, könnte Türen für das Recycling von Atommüll öffnen.

Diamanten
Diamanten werden zum Pressen von Elementen benutzt

Eines der schwersten bekannten Elemente kann stärker modifiziert werden, als die Wissenschaftler dachten – was möglicherweise die Tür zu neuen Wegen der Wiederaufbereitung von Kernbrennstoff und einer verbesserten Langzeitlagerung radioaktiver Elemente öffnet – so das Ergebnis einer kürzlich in der Zeitschrift Nature veröffentlichten Studie.

Schwere, mit Diamanten gepresste Elemente

Das internationale Forscherteam, das hinter der Entdeckung stand, zeigte, wie Curium – Element 96 im Periodensystem der Elemente und eines der letzten, das für das menschliche Auge physisch sichtbar ist – auf hohen Druck reagiert, der entsteht, wenn es zwischen zwei Diamanten gepresst wird.

Professor Thomas Albrecht-Schmitt von der Florida State University leitete die Forschungsarbeiten, an denen auch Mitarbeiter der Universität Aachen und der University of Buffalo beteiligt waren. Sie stellten fest, dass die Außenelektronen des Curiums ein gewisses Verschiebungsverhalten zeigen – sie verändern die Fähigkeit des Elements, sich mit anderen Elementen zu verbinden -, das sich ändert, wenn der Abstand zu den umgebenden leichteren Atomen verringert wird.

„Das war nicht zu erwarten, weil die Chemie von Curium es gegen diese Art von Veränderungen resistent macht“, sagte Albrecht-Schmitt, Gregory R. Choppin Professor für Chemie an der Florida State University. „Kurz gesagt, es ist ziemlich träge.“

Atypische Resistenz gegen Veränderung durch Diamantenpressung

Während nur bestimmte Curiumverbindungen Veränderungen aufwiesen, faszinierte die Entdeckung die Wissenschaftler, weil die Eigenschaften von Curium typischerweise völlig resistent gegen Modifikationen sind, laut nach phys.org.

Die neue Studie wurde auch von den Chemieprofessoren der University of Buffalo, Eva Zurek und Jochen Autschbach, sowie von Manfred Speldrich – einem Forscher der Universität Aachen, Deutschland – durchgeführt.

Albrecht-Schmitts Beitrag zu dieser Studie steht im Zusammenhang mit der umfassenderen Aufgabe seines Labors, unser Verständnis der schwereren oder aktinidischen Elemente zu verbessern – eindringlich am unteren Ende des Periodensystems ruhend.

10 Millionen Dollar für neue Wege zur Eindämmung des Atommülls

Im Jahr 2016 gab ihm das Department of Energy (DoE) 10 Millionen Dollar für die Gründung des Center for Actinide Science and Technology (Zentrum für Aktiniden-Wissenschaft und -Technologie), das sich auf die Beschleunigung des wissenschaftlichen Fortschritts im Hinblick auf eine bessere Entsorgung nuklearer Abfälle konzentrieren soll.

Trotz ihrer jahrzehntelangen Zugehörigkeit zum Periodensystem sind die schwereren Elemente den Wissenschaftlern immer noch weitgehend ein Rätsel – vor allem im Vergleich zu leichteren Elementen wie Stickstoff und Sauerstoff. „Es ist ein aufregendes Experiment, das gezeigt hat, dass wir die Chemie dieser schwer zu kontrollierenden Elemente viel besser beherrschen als bisher angenommen“, sagte Albrecht-Schmitt laut phys.org.

„Das Curium (3+)-Ion, das wir untersucht haben, hat eine halbgefüllte äußere Elektronenhülle, die sich nur sehr schwer chemisch binden lässt“, so Larkin Professor für Chemie Autschbach von der University of Buffalo. „Ein integrierter experimenteller und theoretischer Ansatz zeigte, dass die Anwendung von hohem Druck auf einen Kristall, der Curium (3+) enthält, zusammen mit schwefelorganischen und Ammoniumionen bewirkt, dass die äußere Schale des Curiums an der kovalenten chemischen Bindung mit Schwefel teilnimmt. Dies könnte helfen, neue Wege zur Untersuchung des mysteriösen Verhaltens chemisch resistenter Aktinidenschalen zu finden“.

Während wir mehr über die schwerere Seite des Periodensystems erfahren, öffnen die Wissenschaftler laut Albrecht-Schmitt die Türen zu neuen Strategien zur Kontrolle von Prozessen der chemischen Trennung – die zur Entwicklung widerstandsfähiger Materialien für die langfristige Lagerung radioaktiver Elemente und die nukleare Wiederverwertung verwendet werden. Und die neuen Erkenntnisse, die sich durch das Quetschen schwerer Elemente zwischen Diamanten ergeben, könnten auch auf andere Elemente angewandt werden.