Fabriquer un élément : les alchimistes modernes

Comment l'Homme est-il parvenu à synthétiser de nouveaux éléments chimiques et quels sont les enjeux de ces travaux ? Dans ce quatrième article sur les mécanismes fondamentaux de la matière, Élucid vous propose de mieux comprendre l’aventure de la création de nouveaux éléments.

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I. Fabriquer un élément

De l’Antiquité jusqu’au Moyen-Âge, seule une dizaine d’éléments étaient connus de l’homme. Ce nombre a été porté à environ 35 en 1800, 85 en 1900, 100 en 1950, 113 en 2000. Au cours du XXIe siècle, 5 nouveaux éléments ont déjà été découverts et viennent de finir de remplir la septième ligne du tableau périodique des éléments.

L’Humanité a ainsi mis des milliers d’années pour découvrir les 20 premiers éléments chimiques, mais seulement deux siècles lui auront suffi pour découvrir les 100 suivants.

Cette rapidité de découverte a été encore plus grande pour les isotopes des éléments connus, puisque 80 % de ces ceux-ci ont été découverts au cours des trois derniers quarts de siècle. Ceci s’explique par le fait que leur découverte nécessite de lourds moyens technologiques.

De manière générale, les éléments sont nommés d’après des personnages mythiques, les lieux de leur synthétisation, des noms de scientifiques ou encore des propriétés de l’élément. Par exemple, les trois éléments artificiels qui portent les numéros atomiques 113, 115 et 117 ont été découverts par des équipes de recherche du Japon, de la Russie et des États-Unis.

Ces derniers ont donc été respectivement nommés le nihonium (du japonais Nihon qui signifie Japon), le moscovium (de la région de Russie autour de Moscou) et le tennessine (de l’état du Tennessee, aux USA) en référence à leur lieu de découverte. De manière générale, de nombreux éléments synthétiques ont été générés à Berkeley (États-Unis, 11 éléments sur les 26 produits artificiellement), à Dubna (Russie, 8 éléments sur les 26, dont les 5 derniers à ce jour) et à Darmstadt (Allemagne, 6 éléments).

Le plus gros atome connu a été découvert au début des années 2000 : il s’agit du 118e élément, l’oganesson, nommé en référence au physicien nucléaire Iouri Oganessian.

Mais en réalité, cet élément pas vraiment été « découvert ». Comme tous les atomes superlourds, il a été synthétisé. La méthode est assez simple, au moins en théorie : il suffit d’accélérer un atome dans un gigantesque accélérateur de particules, appelé cyclotron, et de le faire collisionner avec un autre atome, suffisamment fort pour que la force nucléaire l’emporte sur la répulsion électrostatique, et qu'ils se combinent ainsi pour en un atome plus lourd.

Néanmoins, plus un atome possède de protons, plus il est instable, donc plus il a de chances de se briser. Par conséquent, comme le but est ici de rajouter des protons pour synthétiser des noyaux de plus en plus lourds, des isotopes riches en neutrons sont utilisés pour rendre l’atome généré moins instable.

Les chances de succès de cette manœuvre restent néanmoins faibles et les atomes créés avec succès se comptent littéralement sur les doigts d’une main. Il a fallu que l’équipe russe de Dubna bombarde une cible de californium-249 249
98
Cf avec du calcium-48 48
20
Ca à hauteur de 6 milliards d’atomes par seconde, et ce pendant 1080 heures (45 jours), pour créer au final seulement trois atomes d’oganesson-294 294
118
Og dont la demi-vie est de 0,001 seconde (leur quantité est donc divisée par 1000 au bout de 0,01 seconde, soit 10 demi-vies).

II. Les alchimistes modernes

Le plus grand spécialiste mondial de la création d’éléments superlourds, le physicien nucléaire russe Iouri Oganessian (à qui le nom de l’élément 118 rend hommage) explique ainsi le processus de synthétisation des éléments lourds (2015) :

« Les tentatives de modification des propriétés nucléaires des matériaux ne sont pas nouvelles. Historiquement, l'espoir de créer des métaux précieux comme l'or à partir de métaux plus communs comme l'étain ou le plomb était à l'origine de ces ambitions alchimiques.

Les rêves des alchimistes médiévaux sont presque devenus réalité à l'ère moderne des accélérateurs et des réactions nucléaires. Par exemple, on peut fusionner deux atomes métalliques, un projectile de germanium-74 (74
32
Ge) avec une cible d'étain-124 (124
50
Sn). Lorsque le 74
32
Ge a une énergie cinétique de 300 MeV, ce qui correspond à environ 9 % de la vitesse de la lumière dans le vide, un noyau de plomb-198 198
82
Pb est créé dans la fusion nucléaire entre les deux atomes (qui perd alors 4 neutrons pour refroidir).

En quelques dizaines de minutes, la désintégration bêta transforme le 198
82
Pb en thallium-194 (194
81
Tl). Puis une seconde désintégration bêta transforme le 194
81
Tl en mercure-194 (194
80
Hg), un noyau dont la demi-vie est de 520 ans.

L'alchimiste nucléaire à la recherche d'or doit attendre un certain temps la désintégration bêta suivante en or-194 194
79
Au. Malheureusement, le 194
79
Au est un isotope instable, avec une demi-vie de seulement 38 heures. La désintégration bêta du 194
79
Au crée bien du platine-194 stable et encore plus précieux (194
78
Pt) mais aux intensités de faisceau typiques utilisées dans les expériences actuelles, l'irradiation continue de 124
50
Sn avec 74
32
Ge ne produirait que 1 g de 194
78
Pt stable en environ 100 millions d'années.

L'alchimie nucléaire est donc possible en principe, mais ce n'est certainement pas un investissement judicieux. En revanche, les expériences créant des noyaux superlourds sont beaucoup plus gratifiantes en termes de gain scientifique. »

III. Et demain : découvrir l’îlot de stabilité ?

L’élément le plus lourd synthétisé par l’Homme est donc l’élément numéro 118, l’oganesson. Si on regarde l'histoire récente de la découverte des éléments, la moyenne est d’environ trois tous les dix ans. Aucun n’a été découvert depuis plus de dix ans, mais cette période a correspondu à la construction de nouveaux accélérateurs de particules dédiés à la fabrication des prochains éléments superlourds. L’équipe russe vient de commencer à utiliser son nouveau cyclotron à 50 millions d’euros pour accélérer des projectiles plus gros, puisqu’il est impossible de disposer industriellement de cibles plus grosses que du californium-249 249
98
Cf.

Les essais actuels visant à créer les éléments 119 à 120 font par exemple projeter du titane-50 50
22
Ti (moins stable que le calcium-48 48
20
Ca) sur du berkélium-249 249
97
Bk et du californium-249 249
98
Cf. En France, le Grand Accélérateur National d'Ions Lourds (GANIL, en Normandie) développe une approche différente, visant à projeter de l’Uranium 238 238
92
U sur des cibles allant du Nickel 28Ni au Germanium 32Ge.

Le nouveau cyclotron DC-280 du JINR de Dubna. Source : JINR. Schéma explicatif ici.

Si un élément supérieur à l'élément 118 venait à être synthétisé, le tableau périodique des éléments verrait pour la première fois une 8e ligne lui être ajoutée. Nul ne sait à ce jour à quel élément ce tableau se terminera, ni quand arrivera le moment où le noyau sera irrémédiablement trop gros pour que la force nucléaire puisse compenser la répulsion électrostatique. Richard Feynman, qui était l'un des plus influents physiciens américains de la seconde moitié du XXe siècle, pensait au 137e élement, alors que d'autres ont suggéré le 172e. Cependant, certains spécialistes estiment que, pour des raisons d’instabilité du noyau, il se peut que nous n’arrivions jamais à produire, en pratique, d’éléments au-delà du 130e, voire même du 120e.

Il y a cependant une quête scientifique plus fondamentale que synthétiser une poignée d’atomes vivant quelques millisecondes. Cette quête, qui anime les scientifiques depuis plus de 75 ans, est liée à la question des nombres magiques, stabilisant fortement les noyaux. Nous avons présenté les 7 premiers connus, qui pour le nombre de neutrons sont N= 2, 8, 20, 28, 50, 82 ou 126  La question importante est donc : où est le prochain numéro magique pour les protons et les neutrons, car on s’approche à l’évidence des deux :

Bien qu'il n'y ait pas de consensus sur le prochain numéro atomique magique Z, la plupart des prédictions théoriques le placent entre 114 et 126 et le prochain numéro magique N à 184. Or :

- le double nombre magique « Z=82 et N=128 » permet au lourd plomb-208 208
82
Pb126 d’être le dernier élément stable ;

- le double nombre semi-magique (une variante quantique, moins puissante) « Z=92 et N=142 » permettent dans leur voisinage au thorium-232 (232
90
Th142) et aux isotopes 235 et 238 de l’uranium (235
92
U143 et 238
92
U146) d’atteindre la quasi-stabilité avec des demi-vies de milliards d’années, très supérieures à celles de tous les noyaux qui les entourent.

Ces derniers forment ainsi ce que certains appellent la « Péninsule de stabilité », une référence maritime liée à sa représentation sur la carte des noyaux. Dès lors, les physiciens postulent qu’il doit exister un « Îlot de stabilité » dans le voisinage du double nombre magique « Z=114/126 et N=184 », et essayent d’explorer cette zone pour la découvrir.

Iouri Oganessian, ce Christophe Colomb de la physique atomique, estime que les demi-vies dans cet îlot pourraient s’y compter, selon les modèles en milliers, millions voire milliards d’années. Ce qui ouvrirait la voie à la possibilité de synthétiser ces  éléments et de pouvoir les utiliser. Les éléments stables tels que le plomb et l’uranium n’ont-ils pas trouvé de nombreuses applications industrielles ? D’autres physiciens s’attendent cependant, en raison de la taille des noyaux, à des demi-vies de quelques minutes, ce qui rendrait impossible leur utilisation par l’Homme.

Une très longue durée posera elle aussi un problème majeur : celui de l’identification. Aujourd’hui, l’identification d’un élément superlourd créé passe par deux étapes :

- il faut séparer l'atome unique produit des énormes quantités de matière n'ayant pas réagi et des sous-produits indésirables et l'acheminer vers un détecteur, ce qui ne pose pas de trop grosses difficultés ;

- mais ensuite, il faut enregistrer la chaîne de désintégrations alpha émises lorsque l'atome disparaît dans une cascade d'éléments plus légers. En l’analysant, il est possible de prouver qu'il a effectivement été créé.

La seule façon de prouver l’existence de l’élément est donc de surveiller sa désintégration alpha en un élément plus petit. Actuellement, un des isotopes les plus stables des éléments les plus lourds qui aient été produits est le flérovium-289, d'une demi-vie d'environ 2,6 secondes. Si le flérovium 298
114
Fl prédit comme pouvant être au centre de l'îlot, était synthétisé, la demi-vie serait de milliers d'années : bien trop longue pour montrer une désintégration dans un cadre expérimental. Si la demi-vie était de 1 000 ans, il faudrait au moins un million de noyaux pour voir une désintégration par jour. Ce point risque de poser de grandes difficultés.

Mais ces difficultés n’arrêtent pas Oganessian, qui réalise des calculs pour savoir s’il existerait un autre îlot de stabilité, plus lointain encore, lié aux nombres magiques suivants autour de l'élément 164 :

« C'est une très intéressante question, que de savoir si l'îlot sera le dernier ou non. La question est toujours celle de l'interaction de deux forces : les forces nucléaires, qui sont attractives, et les forces électrostatiques, qui sont répulsives. Quand vous arrivez à des éléments supérieurs, les forces nucléaires peuvent-elles vraiment compenser ? Elles peuvent.

La question aujourd'hui est la taille du noyau : si on l'agrandit un peu, alors nous avons une chance de passer au suivant. Les gens font des théories courageuses sur l'élément Z=142, avec N= 228. Il me semble qu'une telle estimation pourrait exister. Mais la question reste ouverte. » - Iouri Oganessian, 2016

Explorateur un jour, explorateur toujours…

Photo d'ouverture : Yurchanka Siarhei - @Shutterstock

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