Geen limiet aan nieuwe elementen

In vrijwel elk scheikundelokaal op de middelbare school zie je hem aan de muur hangen: het periodiek systeem der elementen. Dit systeem lijkt op het eerste gezicht misschien te bestaan uit vakjes met willekeurige kleurtjes, symbolen en getallen, maar in werkelijkheid vormen deze elementen de bouwstenen voor alles om ons heen. Niet voor niets is het een van de eerste dingen die je als chemicus leert kennen. Maar het systeem is volgens sommige wetenschappers nog steeds niet compleet, en de zoektocht naar nieuwe elementen draait nog op volle toeren.

Duidelijk overzicht

Toen er in de achttiende eeuw steeds meer elementen werden ontdekt, leek het chemici wel handig om die op een overzichtelijke manier weer te geven. Maar hoe deel je zo’n overzicht in? Veel wetenschappers waagden een poging, maar het was de Rus Dmitri Mendelejev die in 1869 uiteindelijk een bruikbare versie publiceerde. Hij zette de elementen met oplopend atoomgewicht naast elkaar in kolommen, maar hij plaatste ook elementen met vergelijkbare eigenschappen onder elkaar. Zo ontstonden er duidelijke groepen van elementen die chemisch gezien op elkaar lijken, en dus ook vergelijkbaar reageren. Mendelejev was niet de eerste met deze indeling, maar hij was wel de eerste die ook bewust gaten liet vallen op plekken waar volgens hem nog onbekende elementen hoorden te staan.

Geen twijfel

“Ik twijfel er geen moment over dat we nog zwaardere elementen kunnen vinden”, stelt Christoph Düllmann, hoogleraar nucleaire chemie bij het GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt (Duitsland), waar de afgelopen decennia meerdere elementen zijn ontdekt. Ook Julia Even, hoogleraar nucleaire natuurkunde bij het KVI Center for Advanced Radiation Technology van de Rijksuniversiteit Groningen denkt dat nieuwe ontdekkingen eraan zitten te komen: “Het duurt misschien nog een jaar of tien, maar we gaan 119 en 120 vinden.”

Wat maakt de onderzoekers zo zeker dat het periodiek systeem nog niet compleet is? Dat komt door de theoretische modellen, vertelt Düllmann: “Elementen zijn atomen die bestaan uit een bepaald aantal niet-geladen neutronen en positief geladen protonen die samen de atoomkern vormen. Het aantal protonen bepaalt het atoomnummer. Volgens onze theoretische modellen kunnen we nog veel meer protonen in de kern stoppen zonder dat deze instabiel wordt.” De precieze grens is nog niet duidelijk, vertelt Düllmanns collega en hoogleraar nucleaire natuurkunde Michael Block: “De hoogste schatting met de huidige modellen is dat element 172 nog mogelijk moet zijn. Maar dat is alleen vanuit een theoretisch oogpunt, en op dit moment praktisch nog niet haalbaar.”

Precies goed

Die praktische haalbaarheid blijkt inderdaad nog altijd het struikelblok. “We gebruiken een deeltjesversneller om een straal van bijvoorbeeld titanium af te schieten op een klein blokje van een ander element zoals californium”, zegt Düllmann. “Als je geluk hebt, raken twee van deze atomen elkaar precies goed. Dan fuseren de protonen en neutronen en ontstaat er een zwaar element.” Maar dit proces is wel van heel veel zaken afhankelijk, benadrukt Even: “De versneller moet goed werken, je hebt de juiste combinatie van elementen nodig, je straal moet precies genoeg energie hebben en het materiaal ook nog op de juiste plek raken. Als je geen signaal hebt, weet je vaak niet waar dat nou aan ligt.”

Het luistert dus allemaal erg nauw. En niet alleen de vorming is lastig. “Je vormt vaak heel veel bijproducten en maar een paar atomen van je element. En die gewenste atomen leven dan ook slechts een paar milliseconden voor ze weer uit elkaar vallen”, vertelt Düllmann. “Om die nieuwe atomen te detecteren zoek je naar een speld in de hooiberg die ook nog eens heel snel weer verdwijnt.” Onderzoekers gebruiken daarom magneten, die de atomen met de verschillende gewichten uit elkaar trekken. Met de data van deze detector kunnen ze terugredeneren en kijken of het nieuwe element even bestond. “Als het element uit elkaar valt komt er straling vrij en vormt er een lichter element. Dit element geeft ook weer straling af en valt uit elkaar, en ga zo maar door. We krijgen een soort vingerafdruk van straling en steeds lichtere elementen, en daarmee kunnen we bewijzen dat het nieuwe element heeft bestaan of niet.”

Gevoeliger

Om de sprong naar elementen 119 en 120 te maken werken verschillende laboratoria nu aan het upgraden van hun technieken. “Hoe zwaarder het element, hoe minder stabiel”, vertelt Block. “We moeten dus ook onze versnellers en detectoren blijven verbeteren en gevoeliger blijven maken om het voor elkaar te krijgen.” Ook zou het volgens Even helpen als de modellen beter voorspellen wat de onderzoekers moeten doen: “We baseren de keuze van onze elementen en de energie van de straal op modellen, maar die zitten er nog weleens naast. En dan ben je zomaar een jaar lang op de verkeerde manier aan het meten. Het zou mooi zijn als we daar betrouwbare informatie voor krijgen.”

De onderzoekers blijven optimistisch, maar verwachten wel dat de ontdekkingen met geleidelijke sprongen blijven gaan. “Meestal gaat het in groepjes van twee, drie of vier elementen”, zegt Even. “Maar tussen die sprongen zit als snel een jaar of tien, omdat je nou eenmaal de techniek moet verbeteren.” Daarom richten sommige laboratoria zich in de tussentijd ook op ander onderzoek, bijvoorbeeld naar de elementen die we al kennen. “Wij kijken onder andere naar element 114, flerovium. Daarvan produceren we nu drie atomen per dag, maar dat is genoeg om een deel van de eigenschappen te bestuderen.” En ondanks de gelimiteerde praktische toepassingen van de nieuwe elementen, is het onderzoek niet alleen interessant voor de fundamentele wetenschap, benadrukt Block: “De technieken die we ontwikkelen voor dit soort onderzoek hebben ook veel nut in andere gebieden, zoals de geneeskunde of de ruimtevaart, bijvoorbeeld voor het detecteren van zware elementen in de ruimte.”

Eiland van Stabiliteit

Maar wie weet, wellicht kunnen we in de toekomst deze kortlevende elementen wel stabieler maken. Even: “Meer neutronen in de atoomkern zorgt mogelijk voor meer stabiliteit.” Dit idee komt van het Eiland van Stabiliteit, een theoretisch punt in het periodieke systeem waarop elementen niet meer zo instabiel zijn en snel uit elkaar vallen, maar juist langer blijven bestaan. “Op basis van de theorie verwachten we dat zo’n eiland, en dus een stabieler element, kan bestaan”, vertelt Block. “Misschien pas bij een heel nieuw element, maar wie weet ook bij een neutronrijke versie van een element dat we al kennen.”

Hoe stabiel ook, het produceren van deze zware elementen op grote schaal lijkt alleen niet echt een haalbare kaart. “Ik verwacht niet dat we snel een blokje van element 110, 114 of 119 in onze handen zullen krijgen”, lacht Düllmann. En dat is volgens Even maar goed ook: “Al onze apparaten zijn ingericht om het verval van de nieuwe elementen te detecteren. Als we ooit een stabiel element maken hebben we dat in eerste instantie misschien niet eens door, want dat detecteren we niet.” Maar of we het eiland nou bereiken of niet, volgens Block zal de zoektocht nooit echt stoppen: “We hebben in onze geschiedenis wel vaker gedacht dat we limieten hadden bereikt. Het betekent niet dat we niet zullen blijven proberen om nog net een element verder te komen.”