Nuevos conocimientos sobre la complicada química del uranio
Exploración de las profundidades de las envolturas electrónicas complejas
El uranio, metal pesado, es conocido, además de por su reputación radiactiva, por su intrincada química y sus diversos comportamientos de enlace. Ahora, un equipo internacional de científicos ha utilizado la luz de sincrotrón de la Línea de Rayos Rossendorf (ROBL) para explorar las propiedades únicas de los compuestos de uranio de bajo valor, según informan los investigadores en la revista Nature Communications. En la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón (ESRF) de Grenoble, el Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) gestiona cuatro estaciones experimentales para experimentos radioquímicos.
El uranio, perteneciente a los elementos actínidos de la tabla periódica, ha intrigado durante mucho tiempo a los científicos debido a sus complejas configuraciones electrónicas. Sus inusuales y diversas características de enlace se manifiestan en una variedad de estados de oxidación, a veces incluso exóticos. "En nuestro estudio actual nos centramos en el uranio poco valente, que contiene más electrones en sus capas internas en comparación con otros compuestos de uranio más comunes. En concreto, investigamos el comportamiento de los llamados electrones 5f del uranio, electrones que, a pesar de estar situados en las capas internas, desempeñan un papel crucial en las propiedades químicas del elemento. Estos electrones influyen significativamente en la forma en que el uranio se une a otros elementos", explica la estudiante de doctorado Clara Silva, del Instituto de Ecología de los Recursos del HZDR.
"Debido a la naturaleza radiactiva del uranio, los experimentos se llevaron a cabo aquí, en una instalación diseñada específicamente para la investigación de actínidos. Este entorno ofrecía los protocolos de seguridad necesarios y equipos avanzados para llevar a cabo el estudio", explica la profesora Kristina Kvashnina, jefa del ROBL y del Departamento de "Estructura Molecular" del Instituto.
Para obtener los nuevos datos, el equipo utilizó una técnica llamada dispersión inelástica resonante de rayos X, conocida como RIXS. RIXS es un potente método que consiste en bombardear un material con rayos X y medir la energía que se pierde cuando los rayos X se dispersan en el material. Esta pérdida de energía proporciona información detallada sobre la estructura electrónica del material, lo que ayuda a los científicos a comprender cómo se comportan e interactúan los electrones, como los del orbital 5f del uranio. Los investigadores complementaron sus hallazgos con otra técnica especializada de rayos X: el método denominado HERFD-XANES proporciona información muy detallada sobre la estructura electrónica de los materiales combinando la detección por fluorescencia de alta resolución energética -la parte HERFD- con el análisis de la estructura de absorción de rayos X cerca del borde, abreviado como XANES.
Comprender el singular comportamiento de enlace del uranio
"Por primera vez hemos podido identificar con precisión y detectar directamente el estado de oxidación trivalente del uranio, o U(III), lo que revela cómo interactúan y se enlazan los átomos de uranio con elementos como el flúor y el cloro", explica Kvashnina sobre los resultados del trabajo de su grupo, que ha durado 15 años. Los hallazgos arrojan nueva luz sobre la naturaleza de los enlaces entre actínidos y demuestran cómo los electrones 5f del uranio responden a los cambios de su entorno.
El estudio de los compuestos de uranio de bajo valor no está exento de dificultades. Estos compuestos son menos estables que otros materiales que contienen uranio, por lo que requieren condiciones cuidadosamente controladas para evitar reacciones no deseadas. Para mantener la estabilidad de las muestras de uranio, la investigación se llevó a cabo en condiciones anóxicas, es decir, sin exposición al oxígeno, y a temperaturas extremadamente bajas. Además, la complejidad de los datos exigió el uso de métodos teóricos de vanguardia para modelizar con precisión la estructura electrónica y las propiedades de enlace del uranio.
Descubrimientos inesperados e implicaciones más amplias
"Uno de los hallazgos más sorprendentes del estudio fue el grado de sensibilidad de los electrones 5f del uranio a su entorno local, que afecta al carácter iónico de sus enlaces. Este descubrimiento desafía las teorías existentes sobre los enlaces de los actínidos y abre nuevas vías de investigación en física y química de los actínidos", resume Silva. Y, además de su importancia fundamental, el trabajo del equipo también es interesante en términos prácticos, por ejemplo, tanto para los aspectos generales de la protección contra las radiaciones como para la seguridad de los depósitos de residuos radiactivos: Los compuestos de uranio de baja valencia destacan especialmente por su baja solubilidad, que reduce su movilidad en el medio ambiente y ayuda a contener la contaminación.
Además, las implicaciones de esta investigación podrían ser de gran alcance incluso más allá de este punto. Al conocer mejor los sistemas de uranio poco valioso, los científicos pueden mejorar los modelos teóricos que predicen el comportamiento de elementos tan complejos. Estos conocimientos ayudarán a futuras investigaciones en diversas disciplinas científicas, lo que podría dar lugar a nuevos avances en campos que van desde la ciencia nuclear a la química medioambiental.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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