Denník N

Vzácny prvok prišiel o jedno zo svojich tajomstiev

Píše Lukáš F. Pašteka z PriF UK

V práci, ktorá vyšla v Nature Communications, sme v spolupráci s tímom z CERN-u po prvýkrát stanovili jednu z najzákladnejších a chemicky najdôležitejších vlastností astátu, jeho elektrónovú afinitu. Výsledok má veľký význam pre samotnú chémiu aj pre medicínu.

Nestabilný = vzácny

Astát je najvzácnejší prirodzene sa vyskytujúci prvok na Zemi. Celkovo ho v zemskej kôre je dokopy len pár gramov. Je to preto, že je len medziproduktom v rozpadovej kaskáde ťažších rádioaktívnych prvkov ako urán alebo neptúnium. Samotný astát nemá žiaden stabilný izotop, takže sa rýchlo rozpadá. Presne preto mu prischlo aj meno z gréckeho ástatos, čiže nestabilný. Väčšina z jeho asi 20 známych izotopov vydrží rádovo len niekoľko milisekúnd až minút. Dva najdlhšie žijúce, 210At a 211At, ale majú polčasy rozpadu 8,1 a 7,2 hodiny. A hlavne ten druhý z nich má veľmi sľubnú budúcnosť v cielenej rádioterapii mikronádorov a leukémie.

Cielená α-časticová terapia

α-častice majú schopnosť doručiť pomerne veľké množstvo energie na veľmi obmedzenú vzdialenosť. Takže môžu pôsobiť priamo v mieste nádoru, cielene zneškodniť choré bunky bez toho, aby zasahovali zdravé tkanivo. Takáto cielená terapia je oveľa šetrnejšia ako využitie β-častíc alebo plošné ožarovanie. A práve 211At je ideálny α-žiarič pre tento typ terapie. Je ale potrebné ho naviazať na vhodne zvolenú molekulu a bezpečne dopraviť k samotnému nádoru. Na to, aby sme mohli úspešne dizajnovať vhodné transportné molekuly s 211At, potrebujeme rozumieť tomu, ako sa astát chemicky viaže s inými prvkami a ako ochotne prijíma a odovzdáva elektróny.

Dve čísla

Dve úplne najzákladnejšie vlastnosti určujúce chemické vlastnosti prvku sú tzv. ionizačný potenciál (IP) a elektrónová afinita (EA). Prvé číslo vyjadruje, ako ľahko alebo ťažko prvok odovzdáva elektrón, a druhé, ako ochotne elektrón prijíma. Pre väčšinu prvkov sú tieto veličiny dávno dobre známe s veľkou presnosťou. Astát je však natoľko vzácny, že tieto vlastnosti zisťujeme až dnes. IP pre astát sa podarilo prvýkrát zmerať v roku 2013 tímu z inštitútu ISOLDE, ktorý je súčasťou švajčiarskeho CERN-u. Elektrónová afinita ale bola doposiaľ neznáma. Avšak už neznáma nie je – v našej novej práci sme spoločne s tímom z ISOLDE po prvýkrát stanovili aj túto chýbajúcu veličinu. Hoci je hodnota EA najnižšia v skupine halogenidov (prvky v periodickej tabuľke nad At), je vyššia než pre všetky ostatné prvky. Astát sa teda veľmi dobre cíti ako anión. Z hodnôt EA a IP sa potom dajú určiť ďalšie chemicky významné vlastnosti ako napr. elektronegativita.

Periodická tabuľka – výšky modrých stĺpčekov znázorňujú známe hodnoty EA, červený stĺpček novo stanovenú hodnotu pre At, zelené políčka sú zatiaľ neznáme. (zdroj: D. Leimbach et al.)

Výskumný tandem

Náš pomerne rozsiahly tím pozostával z dvoch hlavných celkov – experimentátori a teoretici. Experiment prebiehal v CERN-ISOLDE a využíval komplikovanú technologickú aparatúru pozostávajúcu z výkonných laserov, protónového urýchľovača, vákuových púmp a detektorov. Jeho zjednodušená schéma je na obrázku nižšie.

Schéma experimentu. Mnohí vedci sa tak trochu vyžívajú vo vymýšľaní skratiek a akronymov. Svedčí o tom aj zariadenie GANDALPH (Gothenburg ANion Detector for Affinity measurements by Laser Photodetachment), v ktorom prebiehal experiment. (zdroj: D. Leimbach et al.)

Naproti tomu teoretici (ku ktorým patrím) používajú iné zbrane – superpočítače. Na nich prebiehajú vysoko presné výpočty založené na princípoch kvantovej mechaniky, pri ktorých sa procesory zapotia často aj niekoľko mesiacov. Teoretický tím sme tvorili spolu s kolegami z Gröningenu a Tel Avivu. Už nejaký čas sa spoločne špecializujeme na presné výpočty atómových vlastností. Pred pár rokmi sme na prípade zlata ukázali, čo súčasná výpočtová chémia dokáže, a vyjasnili sme predchádzajúci desiatky rokov trvajúci rozpor medzi teóriou a experimentom. Aj preto nás oslovili kolegovia z CERN-ISOLDE, aby sme s nimi spolupracovali na tomto projekte. Tak ako my, tak aj samotné superpočítače, ktoré sme používali, boli roztrúsené po celom svete. Zatiaľ čo experiment musí nutne prebiehať na jednom fyzickom mieste, teoretici to majú o čosi pohodlnejšie.

Aby sa navzájom neovplyvňovali, teória a experiment pracovali na stanovení hodnoty EA astátu prakticky nezávisle a výsledky sme si navzájom vymenili, až keď bolo všetko hotové. Boli to pomerne nervy drásajúce momenty, ale všetkým nám odľahlo, keď sme videli, že sme v perfektnej zhode.

V čase zavŕšenia projektu a spísania článku mal náš výsledok ešte jedno prvenstvo – išlo o stanovenie EA pre dosiaľ najťažší prvok. Darmo sme si ale mädlili ruky, o prvenstvo sme prišli počas recenzného procesu. Kým náš článok prijali a vydali, trhli nás kolegovia z Číny, ktorí namerali elektrónovú afinitu pre ťažší prvok – tórium.

Čo ďalej?

Naše výsledky poskytujú lepšie chápanie chemických vlastností astátu a budú tak užitočné pri navrhovaní stabilných molekúl vhodných na α-časticovú terapiu. GANDALPH ani naše superpočítače tiež nebudú zapadať prachom. Výskumný tím ďalej pokračuje na tom, aby sme doplnili aj ďalšie chýbajúce zelené políčka v periodickej tabuľke, momentálne sa venujeme susedovi astátu – polóniu. Našim vysneným cieľom je postupne prejsť na tzv. superťažké prvky s číslami 111 – 118, o ktorých zatiaľ vieme zúfalo málo, pretože ich bolo pripravených len niekoľko jednotlivých atómov a aj tie sa v priebehu niekoľkých sekúnd rozpadajú.

Lukáš F. Pašteka

O autorovi:

Lukáš v súčasnosti pôsobí na Katedre fyzikálnej a teoretickej chémie, PríF UK. Predtým ako postdoc pracoval na Massey University v Aucklande (Nový Zéland). Vo svojej práci sa sústredí predovšetkým na výskum relativistických efektov v chémii a modelovanie a predpovedanie vlastností ťažkých a superťažkých prvkov a ich zlúčenín. Okrem toho sa v spolupráci s výskumníkmi z Gröningenu (NL), Aucklandu (NZ) a Sydney (AU) snaží o návrh a smerovanie experimentov usilujúcich sa o hľadanie „novej fyziky“, teda javov za hranicou tzv. štandardného modelu fyziky, ako sú napr. zmeny v hodnotách fundamentálnych konštánt v čase a priestore, nenulový dipólový moment elektrónu alebo detekcia tmavej hmoty. Okrem výskumu a učenia sa venuje popularizácii vedy a aktivitám zameraným na podporu talentovaných študentov.

Link na publikáciu: https://www.nature.com/articles/s41467-020-17599-2

{Publikovali ste nedávno zaujímavý článok? Pracujete na medzinárodnom/medziodborovom výskume a chcete o sebe dať vedieť? Napíšte nám na prispevky@zijemvedu.sk alebo zijemvedu@zijemvedu.sk}

Teraz najčítanejšie

Žijem Vedu

Žijem Vedu je platforma, ktorá dáva priestor všetkým slovenským vedkyniam a vedcom prispieť k napredovaniu vedy na Slovensku.