Dobrim dijelom 18. i 19. stoljeća kemičari su uživali u pravoj žetvi elemenata koje su redovito otkrivali i dodavali periodnoj tablici elemenata.
Ali danas, potraga za novim, još neotkrivenim elementima herkuleanski je zadatak.
Potrebni su globalni istraživački timovi koji rade na strojevima vrijednim milijarde dolara na eksperimentima koji mogu trajati godinama, kako bi stvorili nešto što traje samo dijelić sekunde.
"Potrebna je velika količina strpljenja... a može biti i uzbudljivo", kaže Dawn Shaughnessy, glavna istražiteljica Grupe teških elemenata u Nacionalnom laboratoriju Lawrence Livermore u Kaliforniji.
Ali ovaj često iscrpljujući posao može dovesti i do spektakularnih rezultata.
"Razumijevanje kako ovo radi, nekako se prenosi u u razumijevanje kako cijeli svemir nastavlja postojati", kaže Shaugnessy.
Nova poglavlja
U siječnju ove godine Međunarodna unija čiste i primjenjene kemije (Union of Pure and Applied Chemistry - IUPAC) potvrdila je četiri nova elementa, čime je popunjen sedmi red periodne tablice elemenata. To je pretpostavljalo najznačajniju promjenu u desetljećima, i učinilo je kemijske udžbenike širom svijeta zastarjelim.
U otkrivanju tri od ova četiri nova elementa sudjelovala je i Shaughnessyina grupa, zajedno s partnerima iz Rusije i Tennesseeja. Njena je grupa sudjelovala u otkrivanju pet od šest zadnje otkrivenih elemenata, i dobila je čast nazvati element 116 livermonij. To je nagrada za dva desetljeća istraživanja.
Elementi su poredani po atomskom broju u periodnom sustavu elemenata, koji odgovara broju protona (čestica s pozitivnim nabojem) u njihvoj jezgri. Najteži element koji se može naći u prirodi je uran, s 92 protona, a nakon njega leže superteški elementi koji prirodno ne postoje i moraju se sintetizirati. Ti su elementi izrazito nestabilni zbog velike težine protona koji stvaraju jaku odbojnu silu koja razbije jezgru.
Da bi se stvorili superteški elementi potrebna je nuklearna fuzija, u kojoj se elementi spajaju kako bi stvorili nešto novo, u čemu je posebno uspješna shaughnessyina grupa u partnerstvu s Zajedničkim institutom za nuklearna istraživanja (JINR) iz ruskog grada Dubna.
Nuklearno testiranje
Tijekom potrage za tim nestabilnim elementima, znanstvenici sudaraju milijarde sitnih čestica koje pripadaju dva lakša elementa zajedno u ciklotronu (tipu ubrzivača čestica), u JINR-u, u nadi da če se dvije čestice spojiti. Eksperimenti mogu trajati i po nekoliko mjeseci.
U svakom slučaju, tim koristi elemente s atomskim brojevima koji zbrajanjem daju ciljani element. Još neimenovani element 117 stvoren je ispaljivanjem zraka atoma kalcija, koji sadrže po 20 protona, u sloj berkelija, koji ih ima 97.
Kada se dogodi uspješna fuzija, novi element proleti kroz separator koji filtrira sve druge čestice, a zatim uleti u detektor sa silikonskim senzorima. Ti senzori zatim pošalju električne signale koje znanstvenici trebaju što prije dekodirati, dok se nestabilni element ubrzano raspada, obično unutar nekoliko sekundi. Većina signala nemaju pravog značenja, i jednostavno predstavljaju pozadinske čestice ili lažne uzbune.
"Moramo pronaći potpis", kaže Shaughnessy. "Ako imamo sreće, dva ili tri puta tijekom eksperimenta dobijemo seriju brojeva koji izgledaju kao da potječu od istog elementa - prava energija, pravo trajanje, ista lokacija u detektoru."
U tome trenutku, ključ je suradnja. Ruski i američki tim razmjenjuju bilješke i uspoređuju podatke, kako bi eliminirali bilo koju drugu mogućnost - prije nego što ponove test.
"Ako dobijete još par istih rezultata, onda postane jasno da ste otkrili nešto novo", kaže Shaughnessy.
Kraj reda?
Može potrajati godinama da bi se proizveo superteški element, koji nestane u par sekundi.
Zbog tako jako kratkog života, proučavanje ovih elemenata praktički je nemoguće, a njihove primjene upitne, ali njihova nestabilnost pruža uvid u prirodu materije.
"Trenutačno ne možemo puno reći za što bi se ovi elementi mogli koristiti", priznaje Shaughnessy "Ali oni nam govore kako se sama materija drži zajedno." Krajnji limit materije mogao bi rezultirati i novim teorijama o evoluciji svemira.
"Nakon što shvatimo gdje je kraj periodnog sustava, znati ćemo gdje prestaje materija, što je važno kako bi razumjeli svemir."
Predviđanja o tome koliko će se još elemenata moći dodati variraju, a jedan model čak spominje i atomski broj 172. Znanstveici rade na potrazi za elementima 119 i 120, ali bilo koje daljnje otkriće zahtijevati će znatno oboljšanje tehnologije.
Flerov laboratorij i JINR uvesti će jači ciklotron kasnije ove godine, ali uzamjenik direktora dr. Andrej Popeko skeptičan je da će to rezultirati pronalaskom novih elemenata.
"S postojećim ubrzivačima proizvodimo jedan atom 118 mjesečno", kaže Popelo. "Novi će ubrzivač to moguće ubrzati na jedan tjedno. Planiramo i potragu još težih elemenata, ali postoje eksperimentalne indicija kako ne postoje elementi teži od 118."
U potrazi za otokom
Sveti gral za Shaughnessy, kao i za cijelu kemiju teških elemenata, je pronaći 'otok stabilnosti' - teoretsko mjesto gdje elementi više nisu nestabilni.
Teorija postoji još od šezdesetih, a autor joj je kemičar nobelovac Glenn T. Seaborg.
Ona predviđa kako bi se mogao projektirati izotop (varijanta elementa s drugačijim brojem neutrona) superteškog elementa s savršenim balansom protona i neutrona (podatomskih čestica bez naboja), što bi stvorilo trajnu stabilnost, koja bi možda trajala i godinama.
Znanstvenici sp procijenili lokaciju otoka ne temelju najstabilnijih postojećih elemenata i izotopa, i Shaughnessy vjeruje kako je sve bliže.
"Kako smo išli do elementa 114 vidjeli smo dulje vrijeme trajanja što je značilo i više stabilnosti, a onda je ponovo padalo sve do 118, čije vrijeme trajanje je starno kratko."
Duže se vrijeme mjerilo u sekundama, ali i to je dobar napredak.
Shaughnessy vjeruje kako je 114 najvjerojatnije odredište. Eksperimentiranje sa sastavom atoma u ovome elementu kako bi se pronašla savršena formula zamijenio otkrivanje superteških elemenata kao njen prioritet.
"Ako povećamo broj neutrona možda uspijemo to postići." Stabilni superteški izotop omogućio bi detaljnije proučavanje te bi mogao dovesti do novih tehnologija.
"Ako postoji otok stabilnosti a mi ga pronađemo, moći ćemo odrediti ima li izotop neka jedinstvena svojstva", kaže dr. Lynn Soby, izvršna direktorica IUPC-a. "Moglo bi biti poput pronalaska joda 125 koji je rezultirao dijagnostikom pomoću nuklearne medicine."
Probijanje granica
Kao jedna od najviše rangiranih žena u jednoj od najzahtjevnijih znanstvenih disciplina, Shaughnessy se osjeća odgovornom da potiče mlade žene da se odluče za krijeru u znanosti. Kao studentica na Kalifornijskom sveučilištu u Berkeleyu, Shaughnessy je učila od idealne mentorice i proslavljene nuklearne kemičarke Darleane Hoffman.
"U to vrijeme nije bilo žena u upravi", sjeća se Shaughnessy. "Imala je potpuno normalan život - imala je djecu, putovala je. Pokazala mi je da se to može napraviti."
Sada se Shaughnessy nada kako će imati sličan utjecaj i poslužiti kao model za novu generaciju žena u poslu kojem dominiraju muškarci. "Mlade mi djevojke govore kako uopće ne izgledam poput znanstvenice, što mi je kompliment. Kažem im da volim znanost ali da je to posao, te da me ne definira kao osobu."
Shaughnessy je zabrinuta je se njeno polje općenito smanjuje jer da se sve manje studenata odlučuje za nuklearnu kemiju. Privlačenje novih talentiranih ljudi stoga je kritičan, ali i zahtijevan zadatak.
Riječ nuklearno može stvoriti negativne konotacije, te time odbija mnoge perspektivne studente, ali kemija u popularnoj kulturi može biti moćan alat za privlačenje mladih, kaže Shaughnessy. Vidjela je povećani interes nakon popularnosti serije 'Breaking bad'.
Otkrivanje novih elemenata možda i nema najsigurniju budućnost, ali shaughnessyino mjesto u povijesti znanosti već je osigurano.
