¿Conoces el camino al Berkelium, Californio? Los nociones pesados ​​y un microscopio verdaderamente poderoso ayudan a los científicos a trazar caminos inexplorados en dirección a nuevos materiales y terapias contra el cáncer: ScienceDaily

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Los elementos pesados ​​conocidos como actínidos son materiales importantes para la medicina, la energía y la defensa nacional. Pero a pesar de que los primeros actínidos fueron descubiertos por científicos del Laboratorio de Berkeley hace más de 50 años, todavía no sabemos mucho sobre sus propiedades químicas porque solo se producen pequeñas cantidades de estos elementos (o isótopos) altamente radiactivos cada año; son caros; y su radiactividad hace que sean difíciles de manipular y almacenar de forma segura.

Pero esos enormes obstáculos para la investigación de actínidos pueden algún día ser cosa del pasado. Científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EE. UU. Y UC Berkeley han demostrado cómo un microscopio electrónico líder en el mundo puede visualizar muestras de actínidos tan pequeñas como un solo nanogramo (una mil millonésima parte de un gramo), una cantidad que es varios órdenes de magnitud menos de lo que requieren los enfoques convencionales.

Sus hallazgos se informaron recientemente en Comunicaciones de la naturaleza, y son particularmente importantes para la coautora principal Rebecca Abergel, cuyo trabajo sobre quelantes (moléculas de unión a metales) ha dado lugar a nuevos avances en terapias contra el cáncer, imágenes médicas y contramedidas médicas contra amenazas nucleares, incluidas las demás. Abergel es un científico de la facultad que dirige el programa de química de elementos pesados ​​en la división de ciencias químicas de Berkeley Lab y profesor asistente de ingeniería nuclear en la Universidad de Berkeley.

«Todavía hay muchas preguntas sin respuesta con respecto a los enlaces químicos en la serie de actínidos. Con tal instrumentación de vanguardia, finalmente podemos sondear la estructura electrónica de los compuestos de actínidos, y esto nos permitirá refinar la estructura molecular principios de diseño para varios sistemas con aplicaciones en medicina, energía y seguridad «, dijo Abergel.

«Hemos demostrado que es posible trabajar con menos material, un nanogramo, y obtener los mismos, si no mejores datos, sin tener que invertir en herramientas dedicadas para materiales radiactivos», dijo el coautor principal Andy Minor, director de la Instalaciones del Centro Nacional de Microscopía Electrónica en la Fundición Molecular del Laboratorio de Berkeley y profesor de ciencia e ingeniería de materiales en UC Berkeley.

Permitir que los investigadores trabajen con un solo nanogramo de una muestra de actínidos reducirá significativamente los altos costos de los experimentos realizados con métodos anteriores. Por ejemplo, un gramo de actínido berkelio puede costar la asombrosa cifra de 27 millones de dólares. Una muestra de actínido que es solo un nanogramo también reduce la exposición a la radiación y los riesgos de contaminación, agregó Minor.

En una serie de experimentos en el Microscopio con corrección de aberración electrónica de transmisión (TEAM 0.5), un microscopio electrónico de resolución atómica en Molecular Foundry, los investigadores tomaron imágenes de átomos individuales de berkelio y californio para demostrar cuánto menos material de actínidos se necesita con su enfoque. .

En otra serie de experimentos que utilizan EELS (espectroscopia de pérdida de energía de electrones), una técnica para sondear la estructura electrónica de un material, los investigadores se sorprendieron al observar un débil «acoplamiento espín-órbita» en el berkelio. Fenómeno que puede afectar la forma en que un átomo de metal se une a moléculas. «Esto nunca se había informado antes», dijo el coautor Peter Ercius, científico del personal de Molecular Foundry que supervisa el microscopio TEAM 0.5. «Es como encontrar una aguja en un pajar. Es asombroso lo que pudimos ver».

El coautor principal, Alexander Müller, le da crédito al enfoque interdisciplinario de «ciencia en equipo» de Berkeley Lab para reunir a los mejores expertos del mundo en microscopía electrónica, química de elementos pesados, ingeniería nuclear y ciencia de materiales para su estudio.

«Debido a que Berkeley Lab atrae a investigadores extraordinarios de todos los campos de la ciencia, este trabajo colaborativo interdisciplinario surge de forma natural aquí», dijo. «Personalmente, encontré esto muy gratificante para este proyecto. Y ahora que hemos establecido este enfoque, podemos seguir muchas direcciones nuevas en la investigación de actínidos». Müller era un becario postdoctoral en la Fundición Molecular de Berkeley Lab y en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la UC Berkeley en el momento del estudio. Ahora es asociado en la oficina de Munich, Alemania, de Kearney, una firma internacional de consultoría de gestión.

Los protocolos de seguridad establecidos para la investigación implicaron la preparación de muestras en laboratorios especializados y una inspección cuidadosa de las áreas de trabajo. Debido a que las muestras se prepararon con cantidades minúsculas (1-10 nanogramos) de cada isótopo, los riesgos de contaminación del equipo también se redujeron al mínimo, dijeron los investigadores.

Los investigadores esperan aplicar su enfoque al estudio de otros actínidos, incluidos el actinio, el einstenio y el fermio.

«Cuanta más información obtengamos de estas cantidades mínimas de elementos radiactivos, mejor equipados estaremos para promover nuevos materiales para la radioterapia del cáncer y otras aplicaciones útiles», dijo Minor.

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