了解化学中最重的元素

您能告诉我们您对化学中最重元素的研究和研究情况吗?

我的小组研究了最重的元素的化学，您可以使用相当传统的化学方法询问。我们研究了加利福尼亚州，伯克里努，爱因斯坦斯坦和费米的元素化学。这些是可以用肉眼看到的足够大量准备的最后一个元素。

我们试图理解的是为什么他们的化学反应与人们想象的不同。历史上，我们从较轻的元素推断，我们预测这些重元素的化学性质会是什么样。

那些外推有时工作，但有时他们会失败。我们正试图了解他们失败的原因。这些信息在施加的意义上很有用，因为如果你移动到略浅的元素 - 所以你只是爬上伯克利姆的一个元素，你是鸡蛋，一个元素来自那个是americ，其中一个是钚的一个元素。当然，这些要素是重要的社会兴趣，因为它们存在于我们裂变的二手核燃料中以便进行电能。它们还存在于核防御设备中。

作为一个社会，我们必须关注他们在环境中的最终命运，如果我们能做些什么来减轻过去的错误。每一个拥有核武器的国家，包括美国、英国和其他许多国家，都有冷战时期发展核武器的遗产。我们没有办法处理这些遗留问题的所有方面。在某些情况下，我们有良好的前进道路，而在另一些情况下则没有。

说到底，如果你不了解这些元素的基本属性，你就无法正确对待它们。这就是我们小组的目标;在最基本的层面上理解这些元素在化学意义上以及它们的物理性质上的作用。

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你能分享一下你的研究发现的一些结果吗?

自2014年以来发表了很多研究结果。2013年，我们从美国能源部获得了我们的第一个加利福尼亚样品。这种元素只在地球上的一个核反应堆中制备——橡树岭国家实验室的高通量同位素反应堆。

这是一种独特的资源，不仅对美国，而且对整个地球。它被用来制造足够多的重元素，你可以使用这些元素——只需要在常规化学应用中使用的稍微定制的仪器——但也可以用于更小的规模，比如锎。

我们发现，每个人都预期这个元素会像元素周期表中直接在它上面的元素一样。这种元素被称为镝，但事实证明它并不是这样的。我们研究了它的磁性我们也预计它的磁性和镝的磁性是一样的。

镝具有非常重要的磁性。它存在于每一辆混合动力汽车的引擎中，所以如果你驾驶一辆丰田普锐斯，在电动马达的强力磁铁中就有镝。

结果，加州大学并没有跟随这一趋势。还有一些人认为它与其他非放射性元素有相似之处，比如铕和钆，它们也有自己的用途。事实证明，它也没有遵循这些趋势。

我们发现锎实际上代表锕系元素中的一个位置，而锕系元素在元素周期表的最下面一行，也就是钚等元素所在的那一行。我们发现锎实际上代表了15种元素中的一个位置在这里化学成分发生了突然的变化，这是非常重要的。

问题是，在它之前的元素——锫，以加州大学伯克利分校命名——从未在宏观尺度上被研究过。换句话说，从来没有人服用过毫克的锫，制造出新的化合物，确定这些化合物中的分子结构并测量它们的性质。

原因是锫具有放射性。它是一种短命元素——比锎的寿命短得多。因为我们必须开发特殊的技术来审问锎，所以我们准备对锫做同样的事情，尽管之前没有人这样做过。

对锎有一些有限的研究，但没有人真正像我们那样追求锫。我们收集的数据使我们在《科学》杂志上发表了一篇广为宣传的论文，同时在《美国化学学会杂志》上发表了一篇更广为宣传的论文。欧洲杯线上买球

我们所展示的是，虽然锫和锎有一些相似之处，但确实有一个突然的突破。我想不出比告诉人们化学从根本上改变元素周期表的一部分更简洁的事情了，因为我认为当人们看到元素周期表的时候，他们会觉得它是不变的，它永远不会改变。

我们告诉世界——我们和其他研究重元素化学的团队——实际上还有很多惊喜有待发现。

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利用你的研究结果，你将能够解决哪些关键问题?

我们设计的材料对辐射损伤具有很强的欧洲杯足球竞彩抵抗力。这很重要，因为我们有很多来自国防或发电的过量放射性物质，这些物质的最终处置地点是在深层的地质储存库。欧洲杯足球竞彩美国目前只有一个在运作，它叫做废物隔离试验工厂(WIPP)，位于新墨西哥州。

即使我们预期那些从未接触地下水的材料，我们也必须提出问题：“如果欧洲杯足球竞彩他们这样做会发生什么？”我们不希望地下水以某种方式进入储存库，突破容器，并导致受污染的地下水。

这种情况不太可能发生，但如果把放射性元素放在有弹性的材料里面不是更好吗?欧洲杯足球竞彩欧洲杯足球竞彩这种材料不仅能抵抗钚或镎产生的辐射，还能抵抗水或氧的破坏。这项工作带来的一些实际应用是，我们设计了这些材料——我们有实现这一目标的可行材料。欧洲杯足球竞彩

第二件事是这些元素，即使它们存在于废物中，也可以再循环。他们可以投入新的一代核电站，我们可以裂开它们并将能源从它们中获得。所以而不是埋葬它们并像浪费一样对待他们，为什么不像资源一样对待他们？

锕系元素科学与技术中心是能源部资助的一个能源前沿欧洲杯线上买球研究中心。我是这个中心的主管，我们制定了革命性的策略选择性地提取一些代表能源资源的元素。

让我们不要把它们当作废物，让我们把它们当作一种资源，因为终有一天人类会极度渴求能源资源。我们为未来利用它们作为一种资源做出了贡献。

你使用什么类型的描述工具来帮助你的研究?

当你制造任何一种新的化合物时，你都必须使用一系列的表征工具。你必须使用一种叫做x射线衍射的技术，它可以让你确定材料的结构，所有原子在哪里，哪些原子粘在哪些原子上。

这个信息非常关键。你必须使用一种叫做squid(超导量子干涉装置)的仪器，它能让你测量磁性。

你还必须测量电子性质，它告诉你所有电子在重元素周围的位置。在这种情况下，我们使用CRAIC技术公司的一种叫做显微分光光度计的仪器。光谱仪这个名字很长，但本质上光谱仪的意思是测量某种性质的光谱。在这种情况下，这是一个光谱，所以你要看它吸收了什么颜色，透射了什么颜色。

我们面临的问题是，无论何时你在处理放射性物质，你需要询问一个非常小的样本。为了使用前面提到的x射线衍射技术，我们必须使这些样品形成漂亮的小晶体。

我们真正需要做的是收集这些晶体的光谱。换句话说，我们需要确定晶体吸收了什么颜色的光，以及它传输了什么颜色的光。当我们开始这样做的时候，也就是现在21年前，在这方面还没有能力。我记得，大概至少在15年前，我在互联网上搜寻任何制造分光计的人，分光计可以探测像针头一样小的晶体。

有CRAIC科技公司，他们当时正在为法医实验室制造这些仪器。例如，你可以从犯罪现场提取地毯纤维，并将其与其他地方的地毯纤维进行比较，以确定它们是否是相同的纤维。这就是这些仪器的初衷，所以你会在美国的法医实验室里看到它们。

我们购买了其中一个乐器和我的知识，我们是第一个购买一个的化学实验室。真正整洁的是，它转变为我的实验室和公司提供仪器之间的关系，在那里他们使用实验室了解化学家的需求，这些需要具有更高灵敏度和更高分辨率的探测器。

它实际上需要许多变化，所以这些乐器已经进化，我有一个更新的仪器，而不是我购买的原始乐器。因为其他人发现了我的乐器，所以使用它是多么令人难以置信的是，你从中获得的数据有多高质量，但整个乐器都有一个扩散，而不是美国，而是世界。

我的两名学生在中国的教授拥有它们，许多国家实验室如Los Alamos国家实验室现在拥有它们和不同的学术机构，现在有这种能力现在拥有它们。

我很高兴成为这个工具传播的一部分，因为你不希望人们，当他们试图发布他们的数据时，说，“看，我们真的不能收集这些数据。”我们知道它很重要，科学评论家可能会坚持，但不管他们坚持多少。如果在物理上不可能得到数据，你就不能得到数据。

这些显微分光光度计在我们的研究中发挥了革命性的作用，因为它们让我们能够产生在任何其他化学调查中可能是正常的数据，但我们不能使用这些正常的仪器，因为我们的样本太小了。对我们来说，这是一种非常有用的工具。我们每天都在使用它，实际上它在大部分时间，每一天。它真的帮助了我们。

为什么它不同于市场上的其他工具？什么使它与众不同？

这确实是一个未经测试的仪器，但我们就是这样发现它的。当时我在奥本大学，距离乔治亚大学只有几个小时的路程，但没有人在化学实验室使用过它。

据我所知，他们没有很多竞争对手，所以这是它与众不同的第一点。

人们有时从头开始构建这些东西 - 我自己的博士顾问正在使用一个从头开始建立一个物理化学组。

CRAIC的与众不同之处在于它拥有完美的集成软件。你可以在一个小时内教会一个刚毕业的研究生如何使用它。一些真正有天赋的学生实际上变得非常好，他们收集的数据比以前收集的数据质量更高。

我的一个学生，乔·斯珀林，收集了吸收光谱，显示了加州吸收颜色的位置。他收集的光谱，因为他已经成为使用仪器的真正专家，这实际上是有史以来收集到的最好的加利福尼亚吸收光谱。我们将在今年出版。

加州是70年前发现的，所以收集这些数据的机会并不多。其他人也收集了锎吸收的数据，但这和乔所能得到的不一样。

你有一个更大的能量窗口来收集数据。它不仅是光谱的可见区域，还有一个能量较低的区域，叫做近红外区域。我们没有购买这个选项，但如果它对我们很重要，我们可以收集到更远的近红外。

这台仪器有很好的光学性能，它有一个高分辨率的灵敏探测器，而且它是一种交钥匙式的仪器——使用起来真的很容易。

它也不仅仅是吸收数据，因为你可以得到吸收，透射，反射率和光致发光——这是物体发光的方式。我们收集的光致发光数据与我们收集的其他类型的光学性质一样多，甚至更多。我们还有第二种能力，可以收集拉曼数据，这是振动光谱的一种。

这是一个乐器中的所有乐器，随着按钮的推动，就会启动和运行。您不需要成为一个专家来获得专家的质量数据。这真的是你想要的乐器，所以人们不必建立自己，他们可以购买这个完全商业化的乐器。

许多资助机构不想资助工具开发。有单独的程序来做这个。所以，如果你参与了合成和表征，就像很多组织做的那样，你的资助机构不希望你浪费时间去检修你从零开始构建的仪器。买这个完整组装的系统要好得多。

我的仪器也是建立在蔡司平台上的，这对CRAIC技术来说是一个非常好的决定，因为很难打败蔡司显微镜。他们从一些优秀的东西开始，并以此为基础——这是一个很好的开始。

你的研究和潜在的应用前景是什么?

我们正努力深入元素周期表。正如我说的，锎是一毫克的最后一种元素。如果换成了爱因斯坦，那就只有微克了。我们收到的第一个样本是400毫微克，我们实际上从那400毫微克的铀中获得了高质量的吸收和光致发光数据。

在2019年的秋天，我们收到了第一个fermium的样本，我们能够收集关于它的数据。我们要做的就是坚持到底。费米是100号元素，这是最后一个可以有宏观量的元素。在这种情况下，大约是一微克的原子。

我们想知道，对于一个普通的合成实验室来说，元素周期表的终点在哪里。大概在99到100之间。也有其他实验室制造自己的原子，但那是非常不同的物理实验室。所以这就是我们要做的——我们总是在挑战团队的极限。

关于Thomas E.Albrecht Schmitt博士

Thomas E. Albrecht-Schmitt博士是佛罗里达州立大学的Gregory R. Choppin教授。