1952年に南太平洋のエルゲラブ島で水素爆弾の燃焼中に初めて発見された重元素アインスタイニウムは、周期表の中でも目立たない元素の1つです。自然界には存在せず、非常に不安定なため、実際に研究できるほど十分な量を長期間入手することが困難です。
今回、ローレンス・バークレー国立研究所、ロスアラモス国立研究所、ジョージタウン大学の化学者チームが、まさにそれを実現しました。彼らは、この捉えどころのない元素の基本的な化学的性質と挙動をより深く理解するため、微量のアインスタイニウム254を検査しました。この研究は本日、Nature誌に掲載されました。
アインスタイニウムは、オークリッジ国立研究所の高中性子束同位体原子炉で、カリホルニウム252（これも実験室で合成される重元素ですが、商業的に利用可能な元素です）を年2回製造する際の副産物として生成されます。技術の進歩により、これらの放射性元素は、20世紀半ばのような破壊的な花火を使わずに、実験室環境で製造できるようになりました。テネシー州オークリッジにあるこの原子炉は、カリホルニウム252の極めて数少ない供給源の一つです。
「これらの元素を生成できるのは、中性子の束が非常に高いため、核子殻からどんどん押し出せるからです」と、ローレンス・バークレー国立研究所の化学者で論文の共著者であるキャサリン・シールド氏はビデオ通話で述べた。原子炉の初期生成物は「まさに混乱状態、あらゆるものが混ざり合った状態です」とシールド氏は述べ、「元素や同位体を作るだけでなく、化学反応を起こせるように精製する必要もあります」と説明した。
アインスタイニウムやカリホルニウムといった重放射性元素、そしてよく知られているウランやプルトニウムは、アクチノイド族（周期表の89番から103番元素）に属します。アインスタイニウムやカリホルニウムのように、合成できるのはごく一部です。研究チームが安全プロトコル（放射性元素を他の実験材料と同様に安全に取り扱うための手順）の運用を終えたら、次に課題となるのは、実験に必要な量の材料を確保し、有用な結果をもたらすのに十分な純度であることを確認することです。カリホルニウムの製造工程から抽出されるアインスタイニウムは、しばしばカリホルニウムに汚染されています。
研究チームが扱ったのはわずか200ナノグラムのアインスタイニウムで、これは塩粒の約300分の1の軽さに相当します。アイオワ大学に所属し、本研究の筆頭著者である化学者コーリー・カーター氏によると、サンプル量の下限はこれまで1マイクログラム（1,000ナノグラム）と考えられていました。
https://gizmodo.com/nuclear-reactor-basically-look-like-a-sci-fi-weapon-in-1728711929
「『サンプルは生き残れるだろうか？』という疑問がありましたが、私たちはできる限りの準備をしてきました」とカーター氏はビデオ通話で語った。「驚くべきことに、見事にうまくいきました。」
研究チームは、サンプルにX線を照射するX線吸収分光法を用いてアインスタイニウム254の結合距離を測定することに成功した（この調査には、約3日間にわたるX線照射でも崩壊しない特別なサンプルホルダーの製作も必要だった）。研究チームはサンプルに吸収された光に何が起こるかを観察し、その後放出された光が青方偏移、つまり波長がわずかに短くなることを発見した。これは驚きの結果だった。というのも、彼らは赤方偏移、つまり波長が長くなることを予想していたためであり、これはアインスタイニウムの電子が周期表で近くにある他の元素とは異なる結合をしている可能性があることを示唆している。残念ながら、研究チームはサンプルにカリホルニウムが混入していたためX線回折データを取得できず、この方法による結果は不明瞭になるだろう。
これまで研究者たちは、軽い元素に見られる特定の傾向、例えば光の吸収や、ランタノイドと呼ばれる他の元素の原子やイオンの大きさが原子番号の増加に伴って減少する傾向などを、重いアクチノイド元素にも外挿できると考えていた。しかし、新たな研究結果は、この外挿が当てはまらない可能性を示唆している。
「過去20年間、アクチノイド系列の奥深くへと進むにつれて、多くの素晴らしい研究が行われてきました。アクチノイド化学には、より多くのことが起こっていることを示しています」とカーター氏は述べた。「私たちがより小さな物質のために開発した法則は、おそらくそれほどうまく機能しないかもしれません。」
アインスタイニウムは1950年代に発見されてから間もなく、放射分析研究が行われていましたが、当時は放射性特性以外のアクチノイド全般についてはほとんど研究されていませんでした。最近の研究では、アインスタイニウムの結合距離（分子中の2つの原子核間の結合距離の平均）が予想よりもわずかに短いことが示されました。カーター氏は、この結果は「意味のある最初のデータポイント」だと述べています。
このパンデミックの間、多くの科学者と同様に、研究チームも計画していた追加実験を行うことができませんでした。ようやく研究室に戻った時には、サンプルのほとんどが崩壊していました。しかし、どんな最初の一歩にも言えることですが、今回の実験は必ず大きな前進につながるでしょう。問題は、それがいつになるかです。
