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.

Uma colaboração entre o Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS) e o Instituto de Física Gleb Wataghin (IFGW) da UNICAMP demonstrou, em artigo publicado na revista Nature Communication, 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”.

Essa 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”.

Para tornar possível esse estudo, os compostos foram crescidos e caracterizados no laboratório de metais e ligas do IFGW sob responsabilidade do prof. Flavio C. G. Gandra, co-autor do trabalho. Ele comenta que “o nosso grupo tem grande tradição no estudo de materiais actinídeos e terras raras, em particular na aplicação desses para refrigeração magnética. Com essa colaboração com o LNLS abrimos uma nova forma de entender a estrutura eletrônica local desses materiais e como isso influencia as suas propriedades macroscópicas”.

Link para o artigo: http://rdcu.be/x8Xp
“Unraveling 5f-6d hybridization in uraniumcompounds via spin-resolved L-edge spectroscopy”
R. D. dos Reis et al., Nature Communications 8:1203 (2017). DOI: 10.1038/s41467-017-01524-1