Reciclagem de iões para a investigação dos elementos mais pesados
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Foi desenvolvido um novo método na instalação ISOLDE do CERN para compreender melhor as propriedades químicas e a reatividade dos elementos mais raros e menos investigados. A Dra. Franziska Maier, uma estudante de doutoramento de Greifswald, esteve na vanguarda deste trabalho no CERN. O método é muito promissor: os investigadores suspeitam que poderá também tornar-se relevante para o desenvolvimento de compostos químicos no tratamento do cancro.
Desde a combustão da madeira até aos efeitos dos medicamentos - as propriedades e o comportamento da matéria são determinados pela forma como os elementos químicos se combinam entre si. Para muitos dos 118 elementos conhecidos, as complexas estruturas electrónicas dos átomos responsáveis pelas ligações químicas são bem compreendidas. Mas para os elementos superpesados, que se encontram no extremo da tabela periódica, cada medição é um grande desafio.
Num novo estudo, Franziska Maier e os seus colegas da instalação ISOLDE no CERN relatam a demonstração de um novo método. Este método promete enormes progressos na decifração da química dos elementos (super)pesados. A nova abordagem tem também aplicações potenciais na investigação fundamental em física e no desenvolvimento de métodos médicos.
Método desenvolvido com base numa armadilha de iões Os elementos superpesados são extremamente instáveis e só podem ser produzidos em pequenas quantidades em aceleradores de partículas. É por isso que os novos métodos são inicialmente testados em elementos estáveis. A equipa de investigação do ISOLDE desenvolveu um novo método baseado numa armadilha de iões para medir com precisão a afinidade eletrónica de átomos e moléculas.
A afinidade eletrónica é a energia que é libertada quando um eletrão é adicionado a um átomo neutro, criando um ião negativo, o chamado anião. É uma das propriedades mais fundamentais de um elemento e determina em grande parte a forma como este forma ligações químicas.
Para a demonstração, foram utilizados átomos de cloro estáveis. O novo desenvolvimento permitiu medições com cem mil vezes menos átomos do que em todas as experiências anteriores. Isto abre a possibilidade de determinar também a afinidade eletrónica dos elementos superpesados.
Nas medições convencionais da afinidade eletrónica, os aniões do elemento em questão são enviados através do feixe de um laser. Variando a frequência do laser, é possível determinar a energia exacta do fotão a que o eletrão adicional é destacado do anião - esta energia corresponde à afinidade eletrónica do átomo neutro. No entanto, no caso de elementos (super)pesados instáveis, que só são produzidos com alguns aniões por segundo ou mesmo com menor frequência, uma única passagem pelo feixe laser não é suficiente para medir esta energia.
Para resolver este problema, os investigadores do ISOLDE capturaram aniões de cloro num aparelho chamado MIRACLS (Multi-Ion Reflection Apparatus for Collinear Laser Spectroscopy). Nesta armadilha, os aniões de cloro são reflectidos várias vezes entre dois espelhos electrostáticos de iões - semelhantes a uma bola de pingue-pongue - permitindo que o feixe de laser analise os iões em cada passagem.
"Apesar de utilizar cem mil vezes menos aniões de cloro, o nosso novo método MIRACLS atinge a mesma precisão de medição que os métodos convencionais, em que os aniões só passam uma vez pelo feixe de laser. A melhoria baseia-se nas cerca de sessenta mil passagens dos mesmos iões", explica a Dra. Franziska Maier, principal autora do estudo. "O nosso método utiliza os espelhos da armadilha para 'reciclar' os aniões, abrindo assim uma via para medir a afinidade eletrónica em elementos superpesados."
A Dra. Franziska Maier efectuou as medições no CERN como parte do seu doutoramento no grupo de trabalho do Prof. Dr. Lutz Schweikhard na Universidade de Greifswald. Este último acrescenta que as fronteiras entre os grupos de elementos da tabela periódica podem desvanecer-se à medida que o número de protões aumenta devido a efeitos relativistas nos elementos superpesados. "Estes efeitos devem ser investigados utilizando as afinidades electrónicas com o novo método de medição."
Muitos anos de experiência na construção e aplicação de armadilhas electrostáticas de feixes de iões O grupo de trabalho de Greifswald tem muitos anos de experiência na construção e aplicação de armadilhas electrostáticas de feixes de iões. "Um espetrómetro de massa de tempo de voo baseado neste princípio foi construído em Greifswald há mais de dez anos e depois levado para o CERN. Ainda hoje é utilizado para a determinação de alta precisão das massas de núcleos atómicos exóticos", relata o Prof. "Um outro dispositivo deste tipo está a ser utilizado em Greifswald para analisar aglomerados atómicos." A armadilha de iões que foi utilizada nas novas experiências no CERN foi também originalmente construída em Greifswald. No CERN, foi desenvolvida pela equipa internacional MIRACLS, liderada pelo Dr. Stephan Malbrunot-Ettenauer, para medições de afinidade de electrões e complementada com os lasers necessários.
Importância potencial para o desenvolvimento de novas terapias contra o cancro Para além da medição das afinidades electrónicas dos elementos superpesados, o método MIRACLS pode também ser aplicado a elementos raros na Terra - como o actínio, que, tal como a astatina, é um candidato promissor para o desenvolvimento de compostos químicos para o tratamento do cancro. Poderá também ser utilizado para determinar as afinidades electrónicas das moléculas, a fim de apoiar cálculos teóricos da sua estrutura eletrónica. Estes cálculos são importantes para a investigação sobre a antimatéria e as moléculas radioactivas, que são cada vez mais utilizadas como ferramentas para estudar as simetrias fundamentais da natureza.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Alemão pode ser encontrado aqui.
Publicação original
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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