Laboratório Nacional
de Luz Síncrotron

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Ciência

Desvendando propriedades eletrônicas de compostos actinídeos

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Pesquisa demonstra uma forma direta e seletiva para investigação dos orbitais 5f, 6d e sua hibridação


Actinídeos são uma série de elementos químicos que constituem a base da tecnologia de fissão nuclear, encontrando aplicações em áreas estratégicas como a geração de energia, exploração espacial, diagnósticos e tratamentos médicos, e também em alguns vidros especiais. Tório (Th) e Urânio (U) são os actinídeos mais abundantes na crosta terrestre.

A compreensão mais profunda das propriedades do Urânio e de outros actinídeos é necessária não só para sua utilização mais eficiente em aplicações existentes como também para a proposição de novas formas para seu uso. No entanto, a dificuldade em se manipular esses materiais de forma segura faz com que suas propriedades ainda permaneçam relativamente desconhecidas em comparação com elementos mais leves.

A distribuição dos elétrons nas regiões, ou orbitais, mais externas dos átomos que compõem determinado material é o que define se ele é isolante, condutor ou semicondutor; se é duro ou maleável; e muitas outras propriedades estruturais, eletrônicas e magnéticas. Esses orbitais mais externos podem ainda sofrer hibridação, isto é, eles podem se combinar em orbitais híbridos com diferentes níveis de energia e formas. Com isso, a hibridação de orbitais modifica propriedades dos átomos e influencia seus estados de oxidação, a forma como se ligam a outros átomos, e até mesmo a estrutura da molécula formada.

Nos elementos actinídeos, os orbitais 5f, 6d e 7s tem a tendência à hibridação, especialmente em átomos desta série que possuem poucos elétrons na camada 5f, como é o caso do Urânio. Em compostos deste elemento, é reconhecido que o grau de localização dos elétrons no orbital f é um fator determinante em suas propriedades. No entanto, os métodos experimentais para a investigação, direta e seletiva, do estado 5f e de sua hibridação com o estado 6d ainda não estão estabelecidos.

Em artigo publicado na revista Nature Communications [1], pesquisadores do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS) e colaboradores demonstraram que o uso da técnica de dicroísmo circular magnético de raios X (ou XMCD, na sigla em inglês) na borda de absorção L de compostos de urânio utilizando raios X de energia relativamente alta (17 keV) pode ser usada para investigar os orbitais 5f e 6d, e sua hibridização de forma direta e seletiva.

Ricardo Reis, primeiro autor desse trabalho que foi resultado de sua tese de doutoramento desenvolvida parte no LNLS e parte no IFGW/UNICAMP, comenta que “a capacidade de obter essas informações se mostra crucial para a compreensão de uma infinidade de questões em aberto em compostos actinídeos, o que pode fomentar um aumento do potencial de aplicações desses materiais”.

Medidas de dicroísmo circular magnético de raios X (XMCD) para os compostos $\rm UCu_2Si_2$ e $\rm UMn_2Si_2$ feitos a temperatura de 10 K e 300 K, respectivamente.

Esse é a primeira vez no mundo que a técnica de XMCD em altas energias é utilizada para sondar as propriedades eletrônicas de compostos baseados em elementos actinídeos. Para isso, foi preciso vencer desafios de medir os sinais de muito baixa amplitude, além das dificuldades de manipular esses tipos de compostos.

Narcizo Souza Neto, pesquisador do LNLS e idealizador dessa pesquisa, comenta que “o desenvolvimento dessa nova técnica foi realizado com o intuito de abrir novas possibilidades para o estudo de materiais actinídeos por parte da comunidade brasileira e internacional”.  Ele menciona também que “como foi necessário estender os limites da detecção de XMCD para esse caso, isso irá possibilitar o uso dessa técnica em uma ampla diversidade de compostos com baixo momento magnético além de actinídeos”.

Narcizo adiciona que “com a construção da nova fonte de luz sincrotron brasileira Sirius e, em especial, da linha de luz para estudar materiais em condições extremas (EMA), esse tipo de estudo será bastante facilitado com o alto fluxo de raios X e capacidade de sondar sinais de ultrabaixa amplitude. Além disso, está sendo planejado um laboratório de apoio próximo à linha de luz para manipular esses tipos de compostos de forma eficiente. Essa infraestrutura será uma das únicas no mundo capazes de desenvolver esse tipo de pesquisa nesses compostos, abrindo uma grande janela de oportunidade para a comunidade.”

Fonte: [1] Unraveling 5f-6dhybridization in uraniumcompounds via spin-resolved L-edge spectroscopy. R. D. dos Reis, L. S. I. Veiga, C. A. Escanhoela Jr., J. C. Lang, Y. Joly, F. G. Gandra, D. Haskel & N. M. Souza-Neto, Nature Communications 8:1203 (2017). DOI: 10.1038/s41467-017-01524-1