A la recherche de l’élément 120 du tableau périodique des éléments

12/04/2021

La table de Mendeleïev se compose actuellement de 118 éléments chimiques. Entre Russie et Japon, Benoit Gall, est parti à la recherche des éléments 119 et 120, des éléments jamais encore observés. Une quête du Graal que nous raconte le chercheur de l’Institut pluridisciplinaire Hubert Curien.

« Il a fallu neuf ans et trois années de faisceaux cumulées aux Japonais pour découvrir le nihonium, élément chimique de numéro atomique 113 », raconte Benoit Gall qui évoque un défi à la fois passionnant et frustrant pour lequel la patience est de mise. Le chercheur rentre tout juste d’un voyage de 15 jours en Russie où il collabore depuis plus de 20 ans avec le laboratoire FLNR de Dubna, situé à 100 km au nord de Moscou.

Au départ, il y travaillait sur la spectroscopie des éléments lourds, mais depuis peu, le laboratoire russe s'est doté de la SHE-Factory, comprenez l’usine à « superheavy elements ». Objectif : étudier les noyaux supers lourds (Z≥104) et parvenir à observer des nouveaux éléments chimiques dont le fameux élément 120. Pour ce faire, les chercheurs utilisent la fusion de deux atomes "cible" et "faisceau".

« La probabilité de survie est extrêmement faible »

« Afin d’obtenir l’élément 120, nous avons choisi d’utiliser un faisceau de titane-50 (Z=22) et une cible de californium-249 (Z=98). » En additionnant d’autres éléments, il est aussi possible de réunir 120 protons, pourquoi choisir ces deux là ? « La probabilité de survie est extrêmement faible, il faut apporter les neutrons et protons en limitant l'énergie d'excitation du composé formé. Il n’y a que quelques éléments rares, parmi lesquels le titane-50, qui bénéficient d'un excès de liaison apporté par des effets quantiques et permettent de stabiliser la réaction. Ce dernier est donc l’élément avec lequel la probabilité de synthèse est la plus grande. »

Reste à se les procurer. L’IPHC, seul à maitriser la fabrication de ces composés volatiles rares, est en charge de réaliser les molécules organo-métalliques de titane isotopique. Quant au californium-249, il devrait être fourni par le laboratoire américain d'Oak-Ridge, si les relations diplomatiques entre les deux pays le permettent. « Sinon, nous pourrions aussi utiliser une cible de curium-248 (Z=96) russe avec un faisceau de chrome-54 (Z=24) aussi produit par l'IPHC. Mais la réaction serait de 3 à 10 fois moins efficace. »

Des premiers faisceaux tests de titane et de chrome viennent d'être accélérés par la SHE-Factory et des ajustements vont se poursuivre dans les 15 prochains jours pour atteindre les intensités attendues. D’ici un mois, si la crise sanitaire ne l’en empêche pas, Benoit Gall devrait retourner en Russie pour les premiers tests avec cible.

Des éléments superlourds aux propriétés inconnues

« Ce sont des éléments radioactifs. Il faut d'abord qu'ils survivent assez longtemps pour être observés… au moment où il disparaissent ! », souligne le chercheur qui précise qu’en raison de cette faible durée de vie les applications industrielles ne sont pas possibles. Une fois leur existence établie, il est cependant possible de tester leurs propriétés chimiques.

En parallèle de cette recherche, Benoit Gall et son équipe collaborent également avec les Japonais pour dénicher l’élément 119. « Ce sont les derniers éléments que l’on parviendra à identifier avant de ne plus pouvoir repousser les limites technologiques. Nous espérons encore arriver au 121 et 122 d’ici 10/15 ans, nous serons alors sur la couche g du tableau périodique, c’est-à-dire celle d'éléments aux propriétés inconnues, à condition que la chimie telle qu’elle est ici envisagée du fait de l'influence d'effets relativistes soit vraie… »

Marion Riegert

Benoit Gall vient tout juste d’obtenir un fellowship USIAS pour travailler sur les cibles capables de supporter ces intensités de faisceaux sans précédents et développer de nouveaux matériaux plus résistants. « Souvent, les faisceaux sont trop puissants et la cible casse », explique le chercheur.

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