entdeckt 02/2015 - Uran, Plutonium & Co.

TITEL// DAS FORSCHUNGSMAGAZIN AUS DEM HZDR WWW.HZDR.DE 22 23 legungen dazu sind bereits zwanzig Jahre alt. Nur mangelte es bislang an eindeutigen experimentellen Ergebnissen, die diese Thesen stützen konnten. Die Forscher um Peter Kaden bedienen sich der NMR- oder Kernspinresonanz-Spektroskopie, ein Verfahren, das bereits in den Neunzehnhundertvierzigern entwickelt wurde und unter anderem für den Nachweis von Inhaltsstoffen in einer Probe beziehungsweise in der Medizin genutzt wird. Durch ein starkes Magnetfeld werden die Kernspins der zu untersuchenden Elemente ausgerichtet und mittels eines Radiowellenpulses angeregt. Abhängig von der chemischen Umgebung verändert sich das Verhalten der Kernspins, bevor sie schließlich in ihren Ausgangszustand zurückkehren. Dieser Vorgang ist mess- und auswertbar. Die Wissenschaftler interessiert dabei beispiels- weise der Einfluss der Actiniden auf die Kernspins von Stick- stoff-Atomen in organischen und anorganischen Verbindun- gen, die als Bindungspartner dienen können. „Wir sehen eine dramatische Verschiebung der Signale der Stickstoffe, die allein durch elektrostatische Wechselwirkungen nicht zu erklären ist“, sagt Peter Kaden. Daher vermuten die Forscher, dass Elektronen zwischen benachbarten Atomen ausgetauscht werden, d. h. dass eine chemische Bindung vorliegt. „Das ist ganz aktuelle Forschung, wir bräuchten jetzt dringend Unterstützung von der Theorie“, betont der Chemiker. „Doch nicht nur die Experimen- te, sondern auch die theoretischen Berechnungen an Actiniden sind extrem aufwendig.“ Derartige Rechnungen müssten über Jahre laufen und wären unglaublich kostenintensiv. Vom Kleinen zum Großen Der Nachweis dieser besonderen Bindungsform in Actiniden- Verbindungen ist fundamental. Die NMR-Spektroskopie hilft dadurch, die Eigenschaften der radioaktiven Schwermetalle zu verstehen und so ihr Verhalten zum Beispiel im Kontakt mit organischen Stoffen genauer zu beschreiben. „Wenn wir die Interaktionen auf molekularer Ebene verstanden haben, können wir damit später belastbare Ausbreitungsrechnungen absichern“, sagt der Helmholtz-Forscher. Voraussehbar wären dann die Reaktionen der radioaktiven Actiniden im Havarie- fall eines Endlagers – wodurch werden sie mobilisiert, woran binden sie sich und vor allem: Wie können sie wieder immobi- lisiert werden? Kompetenzen am Standort stärken Actiniden sind radioaktiv – und das im Allgemeinen für sehr lange Zeit. Die Alpha-Strahler sind besonders dann gefährlich, wenn sie in den Körper gelangen. Aus diesen Gründen ist es bundesweit nur etwa einer Handvoll Forschungseinrichtungen erlaubt, die radioaktiven Schwermetalle zu untersuchen. „Es sind sehr strenge Sicherheitsvorkehrungen nötig“, sagt Peter Kaden. „Außerdem sind die Substanzen selbst bei kleinsten Mengen, wie wir sie verwenden, sehr teuer, da schon die Auf- arbeitung und Reinigung äußerst aufwendig sind.“ Der Chemiker arbeitet erst seit wenigen Monaten in Dresden- Rossendorf. Zuvor war er mehrere Jahre am KIT als Fachmann für die NMR-Spektroskopie an Actiniden-Verbindungen zuständig. Diese Expertise bringt er nun mit ans HZDR. „Die Voraussetzungen hier sind super, es gibt wahnsinnig viele Möglichkeiten. Das HZDR ist äußerst interdisziplinär, verfügt über nahezu alle relevanten Messgeräte und hat für jede Methode etablierte Spezialisten vor Ort.“ Neben Peter Kaden versammelt Institutsdirektor Thorsten Stumpf aktuell noch weitere Actiniden-Experten aus dem In- und Ausland um sich. „Wir wollen die vorhande- nen Kompetenzen hier am Standort weiter stärken“, betont er. Das HZDR wird dann eine der wenigen Einrichtungen weltweit sein, an denen vielfältige spektroskopische Methoden Licht ins Dunkel der Actinidenchemie bringen. PUBLIKATION: P. Kaden u. a.: „Evidence for covalence in a N-donor complex of americium(III)“, in Dalton Transactions 06/2013 (DOI: 10.1039/ c3dt50953b) _Institut für Ressourcenökologie am HZDR Dr. Peter Kaden p.kaden@hzdr.de KONTAKT NACHWEIS: Doktorandin Claudia Wilke wertet NMR-Spektren aus, um die Eigenschaften der radioaktiven Schwermetalle besser zu verstehen und so ihr Verhalten im Kontakt mit organi- schen Stoffen genauer beschreiben zu können. Foto: Oliver Killig

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