Eine Kippbewegung in einem porösen Material erleichtert den Durchgang von normalem Wasser, um es von schwerem Wasser zu trennen.
Eine Forschungsgruppe unter der Leitung von Susumu Kitagawa vom Institute for Cell-Material Sciences (iCeMS) der Universität Kyoto, Japan, und Cheng Gu von der South China University of Technology, China, haben ein Material hergestellt, das schweres Wasser bei Raumtemperatur effektiv von normalem Wasser trennen kann. Bisher war dieser Prozess sehr schwierig und energieintensiv. Die Ergebnisse haben Auswirkungen auf industrielle – und sogar biologische – Prozesse, bei denen verschiedene Formen desselben Moleküls verwendet werden. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler im Fachblatt Natur.
Isotopologe sind Moleküle, die die gleiche chemische Formel haben und deren Atome sich in ähnlichen Anordnungen verbinden, aber mindestens eines ihrer Atome hat eine andere Anzahl von Neutronen als das Ausgangsmolekül. Zum Beispiel ein Wassermolekül (H2O) besteht aus einem Sauerstoff- und zwei Wasserstoffatomen. Der Kern jedes Wasserstoffatoms enthält ein Proton und keine Neutronen. In schwerem Wasser (D2O), die Deuteriumatome (D) hingegen sind Wasserstoffisotope mit Kernen, die ein Proton und ein Neutron enthalten. Schweres Wasser findet Anwendung in Kernreaktoren, in der medizinischen Bildgebung und in biologischen Untersuchungen.
„Wasserisotopologe gehören zu den am schwierigsten zu trennenden, weil ihre Eigenschaften so ähnlich sind“, erklärt Materialwissenschaftler Cheng Gu. „Unsere Arbeit lieferte einen beispiellosen Mechanismus zur Trennung von Wasserisotopologen mithilfe einer Adsorptions-Trennmethode.“
Gu und der Chemiker Susumu Kitagawa basierten ihre Trenntechnik zusammen mit Kollegen auf einem kupferbasierten porösen Koordinationspolymer (PCP). PCPs sind poröse kristalline Materialien, die aus Metallknoten bestehen, die durch organische Linker verbunden sind. Das Team testete zwei PCPs, die mit unterschiedlichen Arten von Linkern hergestellt wurden.
Was ihre PCPs für die Trennung von Isotopologen besonders wichtig macht, ist, dass die Linker bei mäßiger Erwärmung umklappen. Dieses Umklappen wirkt wie ein Tor, das es Molekülen ermöglicht, von einem „Käfig“ im PCP zu einem anderen zu gelangen. Die Bewegung wird blockiert, wenn das Material abgekühlt ist.
Als die Wissenschaftler ihre "dynamischen Flip-Flop-Kristalle" Dampf aussetzten, der eine Mischung aus normalem, schwerem und halbschwerem Wasser enthielt, und diesen dann leicht erwärmten, adsorbierten sie normales Wasser viel schneller als die beiden anderen Isotopologen. Entscheidend ist, dass dieser Prozess innerhalb von Raumtemperaturbereichen stattfand.
„Die adsorptive Trennung von Wasserisotopologen in unserer Arbeit ist konventionellen Methoden aufgrund der sehr hohen Selektivität bei Betrieb bei Raumtemperatur deutlich überlegen“, sagt Kitagawa. „Wir sind optimistisch, dass neue Materialien entwickelt werden, die von unserer Arbeit geleitet werden, um andere Isotopologe zu trennen.“
Referenz: „Separating water isotopogues using diffusion-regulatory porous materials“ von Yan Su, Ken-ichi Otake, Jia-Jia Zheng, Satoshi Horike, Susumu Kitagawa und Cheng Gu, 9. November, Natur.
DOI: 10.1038 / s41586-022-05310-y
