O supercomputador Titan no Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) permitiu que os cientistas explorassem um estado de oxidação inesperado em casos raros, elemento radioativo berquélio que foi observado pela primeira vez em experimentos. O OLCF é um Office of Science User Facility do Departamento de Energia dos EUA (DOE).

O estado de oxidação de um átomo é caracterizado pelo número de elétrons que ele troca para formar um composto e fornece informações sobre como um elemento interage com o ambiente circundante. Publicado em abril em Química da Natureza , o estudo está ajudando a preencher lacunas no entendimento fundamental do berquélio e pode ter aplicações futuras para separação de baixa toxicidade no gerenciamento de resíduos nucleares.

Cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) adquiriram uma amostra mínima do isótopo de berquélio mais comum, Bk-249, do Oak Ridge National Laboratory (ORNL) do DOE por meio do DOE Isotope Program. Aliás, o elemento e Berkeley Lab são homônimos de Berkeley, Califórnia, onde o elemento foi descoberto em 1949.

No ORNL, isótopos radioativos para pesquisa, incluindo Bk-249, são produzidos e purificados com o apoio do Programa de Isótopos DOE, que recentemente contribuiu para um estudo separado e altamente divulgado - a descoberta do elemento 117. O novo elemento foi oficialmente denominado "Tennessine", obrigado, em parte, ao papel do ORNL em sintetizar o berquélio necessário para sua criação.

Embora o berquélio tenha sido sintetizado pela primeira vez há mais de 60 anos, seu isótopo é produzido em tão pequenas quantidades e permanece estável por um período tão curto (menos de um ano) que sua estrutura e propriedades fundamentais raramente são estudadas. A produção de Bk-249 também é uma tarefa demorada que inclui muitas etapas precisas e a experiência de toda uma equipe de cientistas e engenheiros, disse Julie Ezold do Grupo de Processamento de Materiais Nucleares do ORNL.

Uma rara olhada no berquélio

Contudo, os cientistas conhecem muitas propriedades do berquélio. Com um número atômico de 97, ocorre em uma classe de elementos conhecidos como actinídeos, que são metálicos, elementos radioativos com números atômicos entre 89 e 103. Urânio e plutônio também são actinídeos, no entanto, a maioria de seus respectivos isótopos têm meias-vidas muito mais longas do que Bk-249 e emitem partículas alfa de alta energia, enquanto o Bk-249 emite partículas beta de baixa energia. Pesquisadores do Berkeley Lab estão usando cristalografia de raios X de alta potência e espectrometria de massa para estudar a estrutura química do Bk-249 e como ele pode interagir com o meio ambiente.

"Estamos investigando as propriedades espectroscópicas dos actinídeos mais pesados ​​para obter uma compreensão mais fundamental desses elementos, que têm aplicações no ciclo de combustível nuclear e gestão de resíduos, "disse Rebecca Abergel, cientista pesquisador e investigador principal do Berkeley Lab e vencedor de 2014 do prêmio DOE Office of Science Early Career Research Program.

A equipe de químicos de actinídeos de Abergel, incluindo Gauthier Deblonde, trabalhou em estreita colaboração com cristalógrafos de proteínas do laboratório de Roland Strong no Fred Hutchinson Cancer Research Center.

No curso de seu trabalho experimental, A equipe de Abergel percebeu algo estranho. Pesquisas anteriores mostraram todos os actinídeos trans-plutônio (aqueles com números atômicos maiores do que o plutônio, ou 94) para estabilizar em um estado de oxidação + III - uma propriedade que descreve como o elemento faz ligações químicas. Para explorar seus limites químicos, cientistas tentaram empurrar o berquélio para o estado de oxidação + IV usando produtos químicos altamente ácidos, mas o efeito, embora possivel, é passageiro.

Neste estudo, A equipe de Abergel ligou o Bk-249 a um ligante orgânico sintetizado, que é uma molécula que se liga a um íon de metal central (neste caso Bk-249) para formar um composto. A equipe já havia usado este ligante em actinídeos por sua capacidade de se ligar a essa classe de elementos. Ao capturar a estrutura do Bk-249 enquanto ligado ao ligante, os pesquisadores esperavam aprender mais sobre as propriedades químicas e estruturais do berquélio, incluindo seu estado de oxidação + III.

“Usamos moléculas naturais, ou ligantes, feito de bactérias para se ligar aos actinídeos. Algumas dessas moléculas são ligadas por proteínas, então você acaba com um sistema que inclui uma proteína, ligando, e metal (o actinídeo) ligados, "Abergel disse." Neste caso, a proteína não se ligou ao complexo metal-ligante, indicando um estado de oxidação + IV. "

Ao contrário de produtos químicos ácidos, um ligante orgânico poderia oferecer uma alternativa mais natural e fácil para aplicações de gerenciamento de resíduos.

Simulação confirma experimento

Para ajudar a lançar mais luz sobre os resultados experimentais interessantes, A equipe de Abergel recorreu ao cientista computacional Wibe (Bert) de Jong, Química Computacional, Líder do grupo de Materiais e Clima no Laboratório de Berkeley. Como parte de um projeto de impacto computacional inovador e inovador em grande escala na teoria e experimento focado na química fundamental de actinídeos liderado por David Dixon na Universidade do Alabama, de Jong usou o sistema Titan de 27 petaflop no OLCF para simular a ligação de Bk-249 ao ligante e, em seguida, gerou dados de espectroscopia correspondentes.

"A química dos actinídeos é um campo difícil em geral, com muito poucos dados experimentais disponíveis, ", disse de Jong." A computação está ajudando muito na verificação de resultados experimentais, informando o design de novos experimentos, ou servindo como um substituto para experimentos para que os pesquisadores não tenham que lidar com a radioatividade. "

Simulações no Titan e no Cray XC30 Eos de 736 nós do OLCF incluíram cerca de 100 átomos, capturar como Bk-249 se liga ao ligante em ambos os estados de oxidação + III e + IV. O estudo computacional usou NWChem, um código de química computacional escalável que pode ser executado com eficiência em milhares de processadores de computador. Para calcular o grande número de estados excitados presentes em sistemas moleculares, como o metal e o composto de ligante neste estudo, a equipe contou com avanços significativos em NWChem que foram desenvolvidos como parte de um projeto de Descoberta Científica por meio de Computação Avançada (SciDAC) liderado por Chris Cramer na Universidade de Minnesota, para o qual de Jong é um co-investigador principal.

"Depois que fizemos os cálculos, geramos espectros que podemos comparar diretamente aos gerados pelos experimentos de Abergel, "de Jong disse.

Ao traduzir os dados computacionais em dados experimentais, os pesquisadores puderam confirmar que realmente observaram um estado de oxidação + IV no experimento.

"O ligante realmente permite que o berquélio oxide de + III para + IV, então isso nos diz muito sobre como os ambientes podem mudar a física e a química dos elementos actinídeos, "de Jong disse.

Os pesquisadores estão planejando usar mais modelagem computacional e simulações nas extensões deste estudo.

"Estamos estendendo a toda a série de actinídeos para entender a tendência sistêmica de ligação nesta série, "Abergel disse." Estamos apenas no começo disso, mas significa que estamos entendendo melhor como a química afeta a forma como o elemento interage com o meio ambiente. "