과학자들이 새로운 중금속 분자 '베르켈로센'을 발견했다

미국 에너지부 산하 로렌스 버클리 국립연구소(버클리 랩)가 이끄는 연구팀은 중원소인 버클륨을 함유한 최초의 유기 금속 분자인 '버켈로센'을 발견했습니다.

탄소 기반 골격에 둘러싸인 금속 이온으로 구성된 유기 금속 분자는 우라늄(원자 번호 92)과 같은 초기 악티나이드 원소에서는 비교적 흔하지만, 버클륨(원자 번호 97)과 같은 후기 악티나이드 원소에서는 거의 알려지지 않았습니다.

"이것은 버클륨과 탄소 사이에 화학 결합이 형성되었다는 증거가 처음으로 얻은 것입니다. 이 발견은 버클륨과 다른 악티나이드가 주기율표의 동료들과 비교하여 어떻게 행동하는지에 대한 새로운 이해를 제공합니다."라고 버클리 랩의 화학 과학 부서의 과학자이자 저널 Science 에 게재된 새로운 연구의 공동 책임 저자 4명 중 한 명인 Stefan Minasian이 말했습니다.

버클리 뿌리를 가진 중금속 분자

버클륨은 주기율표의 f-블록에 있는 15개의 악티나이드 중 하나입니다. 악티나이드 바로 위 한 줄은 란타나이드입니다.

선구적인 핵 화학자 글렌 시보그는 1949년 버클리 랩에서 버클륨을 발견했습니다. 이는 그가 버클리 랩의 동료 과학자 에드윈 맥밀런과 함께 초우라늄 원소 화학적 발견으로 1951년 노벨 화학상을 수상하게 된 많은 업적 중 하나에 불과했습니다.

버클리 연구소 화학과학부의 중원소 화학 그룹은 오랫동안 악티나이드의 유기 금속 화합물을 제조하는 데 전념해 왔습니다. 이 분자들은 일반적으로 높은 대칭성을 가지고 있으며 탄소와 여러 개의 공유 결합을 형성하여 악티나이드의 독특한 전자 구조를 관찰하는 데 유용하기 때문입니다.

"과학자들이 더 높은 대칭 구조를 연구하면 자연이 원자 수준에서 물질을 구성하는 데 사용하는 기본 논리를 이해하는 데 도움이 됩니다."라고 미나시안은 말했습니다.

하지만 버클륨은 매우 방사능이 강하기 때문에 연구하기 쉽지 않습니다. 그리고 이 합성 중금속은 매년 전 세계적으로 매우 소량만 생산됩니다. 어려움에 더해, 유기금속 분자는 공기에 매우 민감하고 자연 발화성이 있을 수 있습니다.

"전 세계적으로 단지 몇몇 시설만이 공기 중의 산소와 수분과 격렬하게 반응하는 고방사성 물질의 복합적 위험을 관리하면서 화합물과 근로자를 모두 보호할 수 있습니다." 논문의 공동 책임 저자이자 UC 버클리 화학 교수이자 버클리 랩 화학 과학부서의 책임자인 폴리 아놀드의 말입니다.

버클륨 장벽을 무너뜨리다

그래서 미나시안, 아놀드, 그리고 공동 책임 저자인 레베카 아버겔(버클리 연구소의 핵 공학 및 화학과 조교수이자 버클리 랩의 중원소 화학 그룹을 이끄는 사람)은 이러한 장애물을 극복하기 위한 팀을 구성했습니다.

버클리 랩의 중원소 연구실에서 이 팀은 고방사성 동위 원소로 공기 없이 합성할 수 있는 새로운 글러브박스를 맞춤 설계했습니다. 그런 다음 연구원들은 버클륨-249 0.3밀리그램만으로 단결정 X선 회절 실험을 수행했습니다. 이 팀이 획득한 동위 원소는 원래 Oak Ridge National Laboratory의 DOE 동위 원소 프로그램에서 관리하는 National Isotope Development Center에서 배포되었습니다.

결과는 버클륨 원자가 두 개의 8원자 탄소 고리 사이에 끼어 있는 대칭 구조를 보여주었습니다. 연구자들은 이 분자를 "버켈로센"이라고 명명했습니다. 그 이유는 그 구조가 "우라노센"이라고 불리는 우라늄 유기 금속 복합체와 유사하기 때문입니다. (UC 버클리 화학자 앤드류 스트라이트바이저와 케네스 레이먼드는 1960년대 후반에 우라노센을 발견했습니다.)

버팔로 대학의 공동 책임 저자인 요헨 아우치바흐(Jochen Autschbach)가 수행한 전자 구조 계산에서 예상치 못한 발견이 나타났습니다. 버클로센 구조의 중심에 있는 버클륨 원자는 4가 산화 상태(양전하 +4)를 가지고 있으며, 이는 버클륨-탄소 결합에 의해 안정화됩니다.

미나시안은 "주기율표에 대한 전통적인 이해에 따르면 버클륨은 란타넘족 테르븀과 비슷하게 작동할 것으로 보인다"고 말했습니다.

"하지만 버클륨 이온은 우리가 예상했던 다른 f- 블록 이온보다 +4 산화 상태에서 훨씬 더 행복합니다."라고 아놀드는 말했습니다.

연구자들은 장기적인 핵폐기물 저장 및 복구와 관련된 문제를 해결하기 위해 주기율표 전체에서 악티나이드 행동이 어떻게 변하는지 보여주는 보다 정확한 모델이 필요하다고 말합니다.

"버켈륨과 같은 후기 악티나이드에 대한 이 더욱 명확한 초상화는 이 매혹적인 원소의 행동에 대한 새로운 렌즈를 제공합니다."라고 Abergel은 말했습니다.

이 연구는 미국 에너지부 과학국에서 지원했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/03/250311121130.htm