Recyclage des ions pour la recherche des éléments les plus lourds
Afin de mieux comprendre les propriétés chimiques et la réactivité des éléments les plus rares et les moins étudiés, une nouvelle méthode a été développée à l'installation ISOLDE du CERN. La doctorante de Greifswald, le Dr Franziska Maier, était en première ligne au CERN. La méthode est prometteuse : les chercheurs supposent qu'elle pourrait également être pertinente pour le développement de composés chimiques dans le traitement du cancer.
De la combustion du bois à l'action des médicaments, les propriétés et le comportement de la matière sont déterminés par la manière dont les éléments chimiques se combinent entre eux. Pour bon nombre des 118 éléments connus, les structures électroniques complexes des atomes responsables des liaisons chimiques sont bien comprises. Mais pour les éléments superlourds, qui se trouvent à l'extrémité du tableau périodique, chaque mesure est un défi de taille.
Dans une nouvelle étude, Franziska Maier et ses collègues de l'installation ISOLDE du CERN font état de la démonstration d'une méthode inédite. Celle-ci promet d'énormes progrès dans le décryptage de la chimie des éléments (super)lourds. Cette nouvelle approche a en outre des applications potentielles dans la recherche fondamentale en physique et dans le développement de méthodes médicales.
Méthode développée sur la base d'un piège à ions Les éléments superlourds sont extrêmement instables et ne peuvent être produits qu'en quantités infimes dans des accélérateurs de particules. C'est pourquoi les nouvelles méthodes sont d'abord testées sur des éléments stables. L'équipe de recherche de l'ISOLDE a développé une nouvelle méthode basée sur un piège à ions pour mesurer précisément l'affinité électronique des atomes et des molécules.
L'affinité électronique est l'énergie libérée lorsque l'on ajoute un électron à un atome neutre, ce qui crée un ion négatif, appelé anion. Elle compte parmi les propriétés les plus fondamentales d'un élément et détermine de manière décisive la manière dont il forme des liaisons chimiques.
Des atomes de chlore stables ont été utilisés pour la démonstration. Le nouveau développement a permis d'effectuer des mesures avec cent mille fois moins d'atomes que dans toutes les expériences précédentes. Cela ouvre la possibilité de déterminer l'affinité électronique même pour des éléments superlourds.
Lors des mesures traditionnelles de l'affinité électronique, les anions de l'élément concerné sont envoyés à travers le faisceau d'un laser. En faisant varier la fréquence du laser, on peut alors déterminer l'énergie photonique exacte à laquelle l'électron supplémentaire est détaché de l'anion - cette énergie correspond à l'affinité électronique de l'atome neutre. Cependant, pour les éléments (super)lourds instables, qui ne sont produits qu'avec quelques anions par seconde ou encore plus rarement, un seul passage dans le faisceau laser ne suffit pas pour mesurer cette énergie.
Une nouvelle méthode garantit une grande précision de mesure malgré un nombre réduit d'anions Pour résoudre ce problème, les chercheurs de l'ISOLDE ont piégé des anions chlore dans un dispositif appelé Multi-Ion Reflection Apparatus for Collinear Laser Spectroscopy (MIRACLS). Dans ce piège, les anions de chlore sont réfléchis de nombreuses fois entre deux miroirs ioniques électrostatiques - un peu comme une balle de ping-pong - ce qui permet au faisceau laser d'examiner les ions à chaque passage.
"Malgré l'utilisation de cent mille fois moins d'anions de chlore, notre nouvelle méthode MIRACLS atteint la même précision de mesure que les méthodes traditionnelles, dans lesquelles les anions ne traversent le faisceau laser qu'une seule fois. Cette amélioration est due aux quelque soixante mille passages des mêmes ions", explique le Dr Franziska Maier, auteur principal de l'étude. "Notre méthode utilise les miroirs du piège pour 'recycler' les anions, ouvrant ainsi la voie à des mesures d'affinité électronique pour les éléments superlourds".
Le Dr Franziska Maier a effectué les mesures au CERN dans le cadre de son doctorat dans le groupe de travail du Prof. Dr Lutz Schweikhard à l'Université de Greifswald. Comme ce dernier l'ajoute, avec l'augmentation du nombre de protons, les frontières entre les groupes d'éléments dans le tableau périodique pourraient s'estomper en raison des effets relativistes dans le domaine des éléments superlourds. "Par le biais des affinités électroniques, ces effets doivent être étudiés avec la nouvelle méthode de mesure".
Une longue expérience dans la construction et l'utilisation de pièges à faisceau d'ions électrostatiques Le groupe de travail de Greifswald dispose d'une longue expérience dans la construction et l'utilisation de pièges à faisceau d'ions électrostatiques. "Il y a plus de dix ans déjà, un spectromètre de masse à temps de vol basé sur ce principe a été construit à Greifswald, puis transféré au CERN. Jusqu'à aujourd'hui, il y est utilisé pour déterminer avec une grande précision les masses de noyaux atomiques exotiques", rapporte le professeur Schweikhard. "À Greifswald, un autre appareil de ce type est utilisé pour étudier les amas atomiques". Le piège à ions qui a maintenant été utilisé pour les nouvelles expériences au CERN a également été construit à l'origine à Greifswald. Au CERN, l'équipe internationale MIRACLS, dirigée par le Dr Stephan Malbrunot-Ettenauer, l'a perfectionné pour les mesures d'affinité électronique et l'a complété par les lasers nécessaires.
Importance potentielle pour le développement de nouvelles thérapies contre le cancer Au-delà de la mesure des affinités électroniques insaisissables des éléments superlourds, la méthode MIRACLS pourrait également être appliquée à des éléments rares sur Terre - par exemple l'actinium qui, comme l'astate, est un candidat prometteur pour le développement de composés chimiques pour le traitement du cancer. Elle pourrait en outre servir à déterminer les affinités électroniques des molécules afin d'étayer les calculs théoriques de leur structure électronique. De tels calculs sont importants pour la recherche sur l'antimatière et les molécules radioactives, qui sont de plus en plus utilisées comme outils pour étudier les symétries fondamentales de la nature.
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Publication originale
F. M. Maier, E. Leistenschneider, M. Au, U. Bērziņš, Y. N. Vila Gracia, D. Hanstorp, C. Kanitz, V. Lagaki, S. Lechner, D. Leimbach, P. Plattner, M. Reponen, L. V. Rodriguez, S. Rothe, L. Schweikhard, M. Vilen, J. Warbinek, S. Malbrunot-Ettenauer; "Enhanced sensitivity for electron affinity measurements of rare elements"; Nature Communications, Volume 16, 2025-11-3
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