Překlápění v porézním materiálu usnadňuje průchod normální vody a odděluje ji od těžké vody.
Výzkumná skupina vedená Susumu Kitagawou z Kjótského institutu pro vědy o buněčných materiálech (iCeMS), Japonsko a Cheng Gu z Jihočínské technologické univerzity v Číně vytvořila materiál, který dokáže účinně oddělit těžkou vodu od normální vody při pokojové teplotě. Doposud byl tento proces velmi obtížný a energeticky náročný. Zjištění mají důsledky pro průmyslové – a dokonce i biologické – procesy, které zahrnují použití různých forem stejné molekuly. Vědci o svých výsledcích informovali v časopise Příroda.
Izotopology jsou molekuly, které mají stejný chemický vzorec a jejichž atomy se vážou v podobném uspořádání, ale alespoň jeden z jejich atomů má jiný počet neutronů než mateřská molekula. Například molekula vody (H2O) je tvořen jedním atomem kyslíku a dvěma atomy vodíku. Jádro každého z atomů vodíku obsahuje jeden proton a žádné neutrony. V těžké vodě (D2O), na druhé straně atomy deuteria (D) jsou izotopy vodíku s jádry obsahujícími jeden proton a jeden neutron. Těžká voda má využití v jaderných reaktorech, lékařském zobrazování a v biologických výzkumech.
"Izotopology vody patří mezi ty, které se nejobtížněji oddělují, protože jejich vlastnosti jsou tak podobné," vysvětluje materiálový vědec Cheng Gu. "Naše práce poskytla bezprecedentní mechanismus pro separaci izotopologů vody pomocí metody adsorpce-separace."
Gu a chemik Susumu Kitagawa spolu s kolegy založili svou separační techniku na porézním koordinačním polymeru na bázi mědi (PCP). PCP jsou porézní krystalické materiály tvořené kovovými uzly spojenými organickými linkery. Tým testoval dva PCP vyrobené s různými typy linkerů.
To, co dělá jejich PCP zvláště důležité pro separaci izotopologů, je to, že se linkery při mírném zahřátí překlopí. Tato překlápěcí akce funguje jako brána, která umožňuje molekulám procházet z jedné „klece“ v PCP do druhé. Pohyb je zablokován, když se materiál ochladí.
Když vědci vystavili své 'flip-flop dynamické krystaly' páře obsahující směs normální, těžké a polotěžké vody a poté ji mírně zahřáli, adsorbovali normální vodu mnohem rychleji než ostatní dva izotopology. Rozhodující je, že tento proces probíhal v rozmezí pokojové teploty.
„Adsorpční separace izotopologů vody v naší práci je podstatně lepší než konvenční metody díky velmi vysoké selektivitě při provozu při pokojové teplotě,“ říká Kitagawa. "Jsme optimističtí, že nové materiály vedené naší prací budou vyvinuty k oddělení dalších izotopologů."
Odkaz: „Oddělování izotopologů vody pomocí porézních materiálů regulujících difúzi“ od Yan Su, Ken-ichi Otake, Jia-Jia Zheng, Satoshi Horike, Susumu Kitagawa a Cheng Gu, 9. Příroda.
DOI: 10.1038 / s41586-022-05310-r