לראשונה אי-פעם הודגם קשר כימי בין יסוד על-כבד לבין אטום פחמן

ממצאי המחקר סוללים דרכים חדשות לחקר ההשלכות של תורת היחסות של איינשטיין באשר למבנה הטבלה המחזורית.

[תרגום מאת ד”ר נחמני משה]
לראשונה אי-פעם הודגם קשר כימי בין יסוד על-כבד לבין אטום פחמן. ממצאי המחקר סוללים דרכים חדשות לחקר ההשלכות של תורת היחסות של איינשטיין באשר למבנה הטבלה המחזורית.

שיתוף פעולה בינלאומי בראשות קבוצת מחקר מהערים מיינז ודרמשטדט בגרמניה, הוביל לסינתזה של משפחה חדשה של תרכובות כימיות המבוססות על יסודות על-כבדים במכון מחקר יפני. לראשונה אי-פעם הודגם קשר כימי בין יסוד על-כבד בשם סיבורגיום (יסוד מספר 106, seaborgium) לבין אטום פחמן. שמונה עשר אטומים של סיבורגיום הומרו לתרכובת של הקסא-קרבוניל סיבורגיום, הכוללת שש מולקולות של פחמן חד-חמצני המחוברות לאטום משותף של סיבורגיום.

התכונות הגזיות ויכולתן של התרכובות להיספח למשטח של דו-תחמוצת הסיליקון נחקרו והושוו לתרכובות דומות של יסודות שכנים באותה קבוצת היסודות בטבלה המחזורית. המחקר סולל את הדרך לביצוע מחקרים מפורטים יותר בנוגע להתנהגות הכימית של יסודות הנמצאים בקצה של הטבלה המחזורית, שעבורם ההשפעה של היחסות על התכונות הכימיות היא המשמעותית ביותר.

ניסויים כימיים עם יסודות על-כבדים – אותם יסודות בעלי מספר אטומי הגבוה מ-104 – מאתגרים במיוחד: ראשית, את היסוד שחוקרים יש להכין באופן מלאכותי באמצעות מאיץ חלקיקים. קצב הייצור המרבי הוא ברמות של מספר אטומים בודדים מדי יום, במקרה הטוב ביותר, והוא עוד יותר נמוך עבור היסודות הכבדים יותר. שנית, האטומים המתקבלים דועכים במהרה דרך תהליכים רדיואקטיביים – במקרה הנוכחי תוך 10 שניות, מה שמגביר את המורכבות של הניסויים.

מניע רציני למחקרים תובעניים שכאלה טמון בכך שהמספר הגדול של פרוטונים טעונים חיובית בתוך הגרעין האטומי מאיצים אלקטרונים בקליפות האטום למהירויות גבוהות מאוד – כ-80% ממהירות האור. בהתאם לתיאוריית היחסות של איינשטיין, האלקטרונים הופכים לכבדים יותר מאשר בזמן המנוחה שלהם.

כתוצאה מכך, המסלולים שלהם עשויים להיות שונים מאלו של האלקטרונים של יסודות קלים יותר, שם האלקטרונים הרבה יותר איטיים. ניסויים כימיים ביסודות על-כבדים מתבצעים בדרך כלל על תרכובות שהינן במצב הגזי כבר בטמפרטורות נמוכות יחסית.

מצב זה מאפשר את מעברם המהיר במצב הגזי, מה שמספק תהליך מהיר הנדרש בזמני חיים כה קצרים. עד היום, נבחרו תרכובות המכילות הלוגנים וחמצן בלבד, למשל, בעבר נחקרה תרכובת של סיבורגיום עם שני אטומי כלור ושני אטומי חמצן – תרכובת יציבה מאוד בעלת נדיפות גבוהה. אולם, בתרכובות מעין אלו כל האלקטרונים המאכלסים את המסלולים החיצוניים ביותר משתתפים בקשר קוולנטי, העלול למסך את השפעות היחסות. בשל כך, נמשך המחקר שנים רבות בחיפוש אחר מערכות מתקדמות יותר, שבהן מעורבות תרכובות בעלות תכונות קישור אחרות, כאלה המפגינות את השפעות היחסות באופן בולט יותר. “אתגר גדול בניסויים מסוג זה הוא אלומת ההאצה העוצמתית ההורסת את התרכובות הכימיות היציבות. על מנת להתגבר על בעיה זו העברנו בתחילה את היסוד טונגסטן, השכן הכבד יותר של היסוד מוליבדן, דרך מפרד מגנטי והפרדנו אותו מהאלומה. בשלב הזה ביצענו את הניסויים הכימיים מאחורי המפרד, שם התנאים הם המיטביים גם עבור חקר משפחות חדשות של תרכובות.” ההתמקדות הייתה ביצירה של תצמידים הקסא-קרבונילים. מחקרים תיאורטיים בתחילת שנות ה-90 חזו כי תרכובות אלו עשויות להיות יציבות. בתרכובות אלו אטום יחיד של סיבורגיום קשור לשש מולקולות של פחמן חד-חמצני דרך קשרי מתכת-פחמן, באופן הרווח בתרכובות אורגנומתכתיות, כאשר רבות מהן מפגינות את מצב הקשר האלקטרוני המבוקש שאותו חיפשו הכימאים העוסקים בתחום של יסודות על-כבדים.

החוקר האחראי על ייצור התרכובות מסביר: “במהלך השיטות הרגילות ליצירת יסודות על-כבדים, כמויות גדולות של תוצרי-לוואי מפריעות בדרך כלל לגילוים של אטומים בודדים של יסודות על-כבדים כדוגמת סיבורגיום. באמצעות המפרד הצלחנו, סוף כל סוף, לאתר סימנים של היסוד ולהעריך את קצבי הייצור ואת תכונות הדעיכה שלו. בשלב הבא היסוד היה מוכן למחקרים הכימיים של הדור הבא.”

בשנת 2013 ניגשו המדענים לניסוי שמטרתו הייתה לבחון אם בכלל ניתן לסנתז תרכובת מסוג הקסא-קרבוניל סיבורגיום. במהלך שבועיים של ניסויים קדחתניים החוקרים הצליחו לאתר 18 תרכובות כאלו. תכונות הגז, וכן יכולת הקישור של התרכובת למשטחי דו-תחמוצת הסיליקון, נחקרו ונמצאו דומות לתרכובות ההומולוגיות של הקסא-קרבוניל מוליבדן/טונגסטן – תרכובות מאפיינות של קבוצה 6 בטבלה המחזורית, מה שמוסיף אישוש לקיומה של התרכובת הקסא-קרבוניל סיבורגיום, היסוד העל-כבד הנמצא באותה קבוצה. התכונות שנמדדו נמצאו כתואמות את החישובים התיאורטיים, שבמסגרתם נכללו גם השפעות היחסות. “הניסוי שלנו מייצג אבן-דרך במחקרים כימיים של יסודות על-כבדים, ומראה כי תרכובות מתקדמות רבות נמצאות בהישג יד מבחינת ניסויים מעשיים במעבדה. הצוהר שניסויים כאלו פותחים בפנינו לקבלת תובנות נוספות באשר לטיבם של קשרים כימיים, לא רק עבור יסודות על-כבדים, מרתק ומסקרן.”
הידיעה על המחקר