Kim loại nặng Uranium, bên cạnh “danh tiếng” là chất phóng xạ tự nhiên, còn được biết đến với đặc điểm về mặt hóa học rất phức tạp và biến đổi liên kết đa dạng. Mới đây, nhóm các nhà khoa học quốc tế đã sử dụng tia X từ máy gia tốc synchrotron tại Rossendorf Beamline (ROBL) để khám phá các tính chất của các hợp chất uranium hóa trị thấp. Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature Communications.
Trung tâm bức xạ Synchrotron Châu Âu (ESRF) ở Grenoble, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) hiện vận hành bốn trạm thí nghiệm cho các thí nghiệm hóa phóng xạ. Uranium, thuộc nguyên tố Actinide trong bảng tuần hoàn, từ lâu đã thu hút sự chú ý của các nhà khoa học do cấu hình electron phức tạp của nó. Đặc tính liên kết khác thường và đa dạng của nó thể hiện ở nhiều trạng thái oxy hóa khác nhau, đôi khi, thậm chí là kỳ lạ. Trong nghiên cứu mới đây, nhóm các nhà khoa học quốc tế đã tập trung vào uranium hóa trị thấp, chứa nhiều electron ở lớp vỏ bên trong hơn so với các hợp chất uranium phổ biến khác. Cụ thể, họ đã nghiên cứu hành vi của đặc điểm được gọi là electron 5f của uranium – các electron dù nằm ở lớp vỏ bên trong, đóng vai trò quan trọng trong tính chất hóa học của nguyên tố này, ảnh hưởng đáng kể đến cách liên kết uranium với các nguyên tố khác.
Clara Silva đang định vị mẫu để đo trong máy quang phổ phát xạ tia X tại Rossendorf Bbeamline (ROBL) (Nguồn: Maureen Thierry / ESRF)
Giáo sư Kristina Kvashnina, người đứng đầu ROBL cho biết: “Do tính chất phóng xạ của uranium, ROBL đã thực hiện hàng loạt thí nghiệm với cơ sở được thiết kế đặc biệt để nghiên cứu Actinide. ROBL cung cấp các quy trình an toàn cần thiết và thiết bị tiên tiến để tiến hành nghiên cứu”. Để thu được những khám phá mới, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một kỹ thuật gọi là tán xạ tia X không đàn hồi cộng hưởng (RIXS). RIXS là một phương pháp mạnh với việc bắn phá vật liệu bằng tia X và sau đó đo năng lượng bị mất khi tia X phân tán ra khỏi vật liệu. Sự mất năng lượng này cung cấp thông tin chi tiết về cấu trúc điện tử của vật liệu, giúp các nhà khoa học hiểu cách các electron, giống như các electron trong quỹ đạo 5f của uranium, biến đổi và tương tác như thế nào. Các nhà nghiên cứu đã bổ sung phát hiện của họ bằng kỹ thuật tia X chuyên dụng khác: phương pháp HERFD-XANES cung cấp thông tin rất chi tiết về cấu trúc điện tử của vật liệu bằng cách kết hợp phát hiện huỳnh quang có độ phân giải năng lượng cao (phần HERFD) với khả năng hấp thụ tia X phân tích cấu trúc cạnh, viết tắt là XANES.
Đây là lần đầu tiên các nhà khoa học có thể xác định chính xác và phát hiện trực tiếp trạng thái oxy hóa hóa trị ba trong uranium, hay gọi tắt là U(III), tiết lộ cách các nguyên tử uranium tương tác và liên kết với các nguyên tố như flo và clo. Những phát hiện này đã làm sáng tỏ bản chất của liên kết Actinide và chứng minh cách các electron 5f của uranium phản ứng với những thay đổi trong môi trường của chúng. Nghiên cứu các hợp chất uranium hóa trị thấp không đơn giản như các nghiên cứu cấu trúc nguyên tử đã từng được thực hiện. Các hợp chất này kém ổn định hơn các vật liệu chứa uranium khác, đòi hỏi các điều kiện được kiểm soát cẩn thận để ngăn chặn các phản ứng phụ. Để duy trì sự ổn định của các mẫu uranium, nghiên cứu được tiến hành trong điều kiện thiếu oxy – nghĩa là không tiếp xúc với oxy – và ở nhiệt độ cực thấp. Ngoài ra, sự phức tạp của dữ liệu đòi hỏi phải sử dụng các phương pháp lý thuyết tiên tiến để mô hình hóa chính xác cấu trúc điện tử và tính chất liên kết của uranium.
Một trong những phát hiện đáng ngạc nhiên nhất của nghiên cứu này là mức độ nhạy cảm của các electron 5f của uranium với môi trường cục bộ của chúng, điều này ảnh hưởng đến tính chất ion của các liên kết của nó. Phát hiện này thách thức các lý thuyết hiện có về liên kết Actinide và mở ra con đường nghiên cứu mới về Actinide vật lý và hóa học. Bên cạnh tầm quan trọng cơ bản của nó, kết quả nghiên cứu mang lại lợi ích về mặt thực tế, chẳng hạn như cả về các khía cạnh chung của bảo vệ bức xạ và sự an toàn của các kho lưu trữ chất thải phóng xạ. Các hợp chất uranium hóa trị thấp đặc biệt đáng chú ý vì độ hòa tan thấp, làm giảm khả năng di chuyển trong môi trường và giúp ngăn chặn ô nhiễm. Hơn nữa, ý nghĩa của nghiên cứu này có thể còn sâu rộng hơn nữa, thậm chí còn vượt xa thời điểm này nhờ sự nâng cao hiểu biết của chúng ta về các hệ thống uranium hóa trị thấp. Các nhà khoa học giờ đây có thể cải thiện các mô hình lý thuyết dự đoán hành vi của các nguyên tố phức tạp như vậy. Những hiểu biết sâu sắc này sẽ hỗ trợ nghiên cứu trong tương lai trên nhiều lĩnh vực khoa học khác nhau, có khả năng dẫn đến những phát triển mới trong các lĩnh vực từ khoa học hạt nhân đến hóa học môi trường.
Từ khóa: tia X; uranium;
– CMD –
