Tallio Radioattivo Puro: La Magia della Separazione Gassosa dall’Ossido di Mercurio!

Amici appassionati di scienza, oggi voglio raccontarvi una storia affascinante che arriva direttamente dai laboratori di ricerca, un’avventura che sa quasi di alchimia moderna! Immaginate di dover separare un ago preziosissimo (anzi, ancora più piccolo, a livello atomico!) da un pagliaio enorme. Ecco, più o meno è quello che abbiamo affrontato, ma con elementi un po’ più… radioattivi!

Un Tesoro Chiamato Tallio

Parliamo del tallio (Tl), o meglio, dei suoi isotopi radioattivi. Queste particolari versioni del tallio sono incredibilmente utili in campi diversissimi, dalla medicina nucleare, dove ad esempio il ²⁰¹Tl è una superstar per gli esami cardiaci sotto sforzo (la famosa SPECT), fino alla ricerca scientifica di base, dove ci aiutano a capire meglio i “mattoncini” fondamentali della materia, come gli elementi superpesanti (pensate al nihonio, Nh, l’elemento 113, di cui il tallio è un “cugino” più leggero).

Il problema? Ottenere questi radioisotopi di tallio “carrier-free”, cioè purissimi, senza contaminazioni da altro tallio stabile o da altri elementi, è una vera sfida. Tradizionalmente, si usano metodi di separazione in fase liquida, spesso complessi e lunghi. E se il materiale di partenza è il mercurio metallico, beh, la sua tossicità e volatilità a temperatura ambiente fanno storcere il naso a molti laboratori per motivi di sicurezza.

L’Idea Geniale: Sfruttare il Calore e le Affinità

Qui entra in gioco la nostra idea, che potremmo definire elegante nella sua semplicità. Abbiamo pensato: e se usassimo l’ossido di mercurio (HgO) come bersaglio da irradiare con protoni e poi sfruttassimo le diverse proprietà fisiche del mercurio e del tallio a temperature elevate? L’HgO, a differenza del mercurio metallico, è molto più tranquillo da maneggiare.

La strategia si basa su due principi chiave:

• L’ossido di mercurio, se scaldato oltre i 470°C, si decompone in mercurio elementare (che diventa vapore) e ossigeno. Una reazione nota da secoli, pensate che portò alla scoperta dell’ossigeno!
• Il tallio, invece, ha una forte “simpatia” per le superfici di un metallo chiamato tantalio (Ta). Si attacca, si adsorbe, e non se ne va facilmente a quelle temperature.

Bingo! Potevamo far “evaporare” il grosso del mercurio e lasciare il nostro prezioso tallio radioattivo attaccato a un supporto di tantalio.

Mettiamoci all’Opera: L’Esperimento

Ci siamo messi al lavoro al Paul Scherrer Institute (PSI), usando il loro potentissimo acceleratore di protoni. Abbiamo preparato dei piccoli dischetti di ossido di mercurio naturale (^natHgO) e li abbiamo bombardati con un fascio di protoni da circa 26 MeV. Questa energia è ottimale per produrre, tra gli altri, il ²⁰²Tl, un isotopo del tallio con un tempo di dimezzamento abbastanza lungo (circa 12 giorni) da permetterci di fare tutti i nostri esperimenti con calma. Insieme al ²⁰²Tl, si forma anche il ²⁰³Hg, un isotopo del mercurio che ci è servito come “spia” per capire quanto bene stavamo separando i due elementi.

Dopo l’irraggiamento e un periodo di “raffreddamento” per far decadere gli isotopi a vita breve, abbiamo preso il nostro bersaglio e lo abbiamo messo in un crogiolo di tantalio. Questo crogiolo è stato poi inserito in un tubo di quarzo e scaldato con un forno speciale, il tutto sotto un flusso controllato di gas elio (il nostro “gas trasportatore”).

La prima fase è stata la decomposizione dell’HgO. Abbiamo portato il forno a temperature tra i 550 e i 670°C. Come previsto, l’ossido di mercurio ha iniziato a scomporsi, e il mercurio metallico, sotto forma di vapore, è stato trasportato via dal flusso di elio, condensando poi più a valle nel tubo, dove la temperatura era più bassa. E il tallio? Lui se ne stava buono buono, adsorbito sulla superficie del nostro crogiolo di tantalio!

Il Momento della Verità: Recuperare il Tallio

Una volta eliminato il mercurio (o quasi tutto, una piccola parte è rimasta intrappolata in filtri di sicurezza, come lana di quarzo e trappole a base di argento e carbone attivo – la sicurezza prima di tutto!), è arrivato il momento di recuperare il nostro ²⁰²Tl. Abbiamo preso il crogiolo di tantalio, lo abbiamo messo in un nuovo tubo di quarzo pulito, e questa volta abbiamo alzato la temperatura ben oltre, superando i 725°C, arrivando fino a 850°C.

A queste temperature, anche il tallio inizia a “staccarsi” dalla superficie del tantalio. Per catturarlo, avevamo foderato la parte interna del tubo di quarzo, subito dopo il forno, con delle sottili lamine di tantalio. Ed ecco la magia: il ²⁰²Tl, desorbito dal crogiolo caldo, è stato trasportato dal flusso di elio e si è depositato su queste lamine!

Abbiamo misurato la radioattività con spettrometri gamma ad alta purezza di germanio prima e dopo ogni passaggio, confrontando i segnali caratteristici del ²⁰²Tl e del ²⁰³Hg. I risultati? Fantastici! Siamo riusciti a separare quantitativamente il tallio dal grosso del mercurio. Il ²⁰³Hg nel tallio recuperato era sotto il limite di rilevabilità! E abbiamo recuperato fino all’84% del ²⁰²Tl prodotto, un’efficienza notevole.

Perché Tutto Questo Entusiasmo?

Vi chiederete: “Bello, ma a che serve?”. Beh, questo metodo di separazione in fase gassosa è:

• Veloce: Riduce significativamente i tempi rispetto ai metodi tradizionali in fase liquida, specialmente per la produzione del ²⁰¹Tl per uso medico. La via di produzione indiretta del ²⁰¹Tl (via ²⁰¹Pb) richiede attese lunghe e separazioni multiple. Con il nostro metodo, si accorciano di molto i tempi.
• Efficiente: Permette di ottenere radioisotopi di tallio carrier-free di alta purezza.
• Versatile: Può essere adattato facilmente per produrre diversi isotopi di tallio, incluso il ²⁰¹Tl, importantissimo per la diagnostica cardiaca.
• Utile per la ricerca di frontiera: Fornisce il tallio puro necessario per studi preliminari sulla chimica del nihonio, aiutandoci a svelare i segreti degli elementi più pesanti e sfuggenti della tavola periodica.

Inoltre, il fatto che il tallio si depositi su lamine di tantalio apre la strada a una facile estrazione successiva. Ad esempio, per le applicazioni mediche, il tallio serve come cloruro di tallio (TlCl) in soluzione salina. Si può semplicemente “lavare” il tallio dalle lamine di tantalio con acido cloridrico, come già dimostrato in altri studi.

Certo, c’è sempre margine di miglioramento. Ad esempio, stiamo pensando a un design del crogiolo di tantalio con pareti più basse per migliorare ulteriormente l’efficienza di “lavaggio” da parte del gas trasportatore. Ma la strada è tracciata!

Un Passo Avanti per la Scienza e la Medicina

Questa tecnica di separazione termica in fase gassosa, che sfrutta la decomposizione dell’HgO e la forte affinità del tallio per il tantalio, rappresenta un passo avanti significativo. È un esempio di come, a volte, soluzioni eleganti e apparentemente semplici possano risolvere problemi complessi, aprendo nuove porte sia nella ricerca fondamentale che nelle applicazioni mediche che toccano la vita di tutti i giorni.

Spero che questo piccolo viaggio nel mondo della radiochimica vi abbia affascinato quanto ha affascinato noi realizzarlo. Chissà quali altre “magie” ci riserverà il futuro della scienza!

Fonte: Springer