Ionien kierrätys avaa tien raskaimpien alkuaineiden tutkimukseen

Aineen ominaisuudet ja käyttäytyminen määräytyvät sen mukaan, miten kemialliset alkuaineet liittyvät toisiinsa. Kemiallisista sidoksista vastaavat monimutkaiset elektronirakenteet on kartoitettu hyvin suurelle osalle 118 tunnetusta alkuaineesta. Sen sijaan jaksollisen järjestelmän ääripäähän sijoittuvien superraskaiden alkuaineiden kohdalla jopa yhden ominaisuuden mittaaminen on valtava haaste. 

- Superraskaat alkuaineet ovat erittäin epävakaita, ja niitä voidaan tuottaa kiihdytinlaboratorioissa vain hyvin pieniä määriä, mikä tekee tutkimuksesta erityisen haastavaa. Jokainen mittaus vaatii äärimmäisen tarkkuutta ja huipputeknologiaa, selventää tutkimukseen osallistunut tutkimusinsinööri Mikael Reponen Jyväskylän yliopistolta. 

Kahden peilinen välinen loukku 

Elektroniaffiniteetti on energia, joka vapautuu, kun elektroni sitoutuu neutraaliin atomiin muodostaen negatiivisen ionin. Se on myös yksi alkuaineiden perustavanlaatuisimmista ominaisuuksista määrittäen, miten atomit muodostavat kemiallisia sidoksia.  

- Tavanomaisissa elektroniaffiniteetin mittauksissa tutkittavan alkuaineen anionit lähetetään lasersäteen läpi. Laserin taajuutta säädetään siten, että löydetään tarkka energia, jonka yläpuolella anionin ylimääräinen elektroni irtoaa. Tämä energia vastaa neutraalin atomin elektroniaffiniteettia, kertoo Reponen. 

Perinteisten mittausmenetelmien herkkyys ei kuitenkaan riitä epävakaiden superraskaiden alkuaineiden tutkimukseen, koska niitä voidaan tuottaa vain muutamia ioneja sekunnissa. 

-CERN:ssa ISOLDE-laboratoriossa työskentelevä tutkimuskollaboraatiomme ratkaisi ongelman kehittämällä moniheijastavan lentoaikalaitteen (MIRACLS), jossa anioineita kierrätetään edestakaisin elektrostaattisten peilien välillä. Tämä menetelmä pidentää merkittävästi aikaa, jolla laserilla voidaan tutkia ioneja mahdollistaen tarkat mittaukset jopa äärimmäisen pienillä näytemäärillä, täsmentää Reponen.

MIRACLS yhdistää perustutkimuksen ja lääketieteelliset sovellukset 

Menetelmän toimivuus todennettiin tässä työssä kloorilla, ja se avaa mahdollisuuden mitata elektroniaffiniteettia ydinkartan alueella, jossa kokeellista tietoa on tähän asti ollut lähes olemattomasti.  

- Osallistuin jo aiemmin osana kollaboraatiota elektroniaffiniteettimittaukseen, joka suoritetiin käyttäen radionuklidihoidoille tärkeää  211-At isotooppia, ja nyt tämä uusi edistysaskel ei ainoastaan syvennä ymmärrystämme kemiallisista sidoksista, vaan sillä voi olla sovelluksia myös perustutkimuksessa ja lääketieteessä, esimerkiksi uusien hoitomuotojen kehittämisessä, iloitsee Reponen.

Tutkimus julkaistiin Nature Communications -lehdessä 3.11.2025.  

Artikkelin tiedot:  

• Maier, F.M., Leistenschneider, E., Au, M. et al. Enhanced sensitivity for electron affinity measurements of rare elements. Nat Commun 16, 3.11.2025 

• Linkki artikkeliin: https://www.nature.com/articles/s41467-025-64581-x 

• Doi numero: https://doi.org/10.1038/s41467-025-64581-x