Una acción de volteo en un material poroso facilita el paso del agua normal para separarla del agua pesada.
Un grupo de investigación dirigido por Susumu Kitagawa del Instituto de Ciencias de Materiales Celulares (iCeMS) de la Universidad de Kyoto, Japón, y Cheng Gu de la Universidad Tecnológica del Sur de China, China, ha creado un material que puede separar eficazmente el agua pesada del agua normal a temperatura ambiente. Hasta ahora, este proceso ha sido muy difícil y requiere mucha energía. Los hallazgos tienen implicaciones para los procesos industriales, e incluso biológicos, que implican el uso de diferentes formas de la misma molécula. Los científicos publicaron sus resultados en la revista Naturaleza.
Los isotopólogos son moléculas que tienen la misma fórmula química y cuyos átomos se unen en arreglos similares, pero al menos uno de sus átomos tiene un número diferente de neutrones que la molécula original. Por ejemplo, una molécula de agua (H2O) está formado por un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno. El núcleo de cada uno de los átomos de hidrógeno contiene un protón y ningún neutrón. En agua pesada (D2O), por otro lado, los átomos de deuterio (D) son isótopos de hidrógeno con núcleos que contienen un protón y un neutrón. El agua pesada tiene aplicaciones en reactores nucleares, imágenes médicas y en investigaciones biológicas.
"Los isotopólogos del agua se encuentran entre los más difíciles de separar porque sus propiedades son muy similares", explica el científico de materiales Cheng Gu. "Nuestro trabajo proporcionó un mecanismo sin precedentes para separar los isotopólogos del agua mediante un método de separación por adsorción".
Gu y el químico Susumu Kitagawa, junto con sus colegas, basaron su técnica de separación en un polímero de coordinación poroso (PCP) a base de cobre. Los PCP son materiales cristalinos porosos formados por nodos metálicos conectados por enlazadores orgánicos. El equipo probó dos PCP hechos con diferentes tipos de enlazadores.
Lo que hace que sus PCP sean especialmente importantes para la separación de isotopólogos es que los enlazadores se voltean cuando se calientan moderadamente. Esta acción de volteo actúa como una puerta, permitiendo que las moléculas pasen de una 'jaula' en el PCP a otra. El movimiento se bloquea cuando el material se enfría.
Cuando los científicos expusieron sus 'cristales dinámicos flip-flop' al vapor que contenía una mezcla de agua normal, pesada y semipesada y luego lo calentaron ligeramente, adsorbieron el agua normal mucho más rápido que los otros dos isotopólogos. Crucialmente, este proceso ocurrió dentro de los rangos de temperatura ambiente.
“La separación por adsorción de los isotopólogos del agua en nuestro trabajo es sustancialmente superior a los métodos convencionales debido a la muy alta selectividad a temperatura ambiente”, dice Kitagawa. "Somos optimistas de que se desarrollarán nuevos materiales guiados por nuestro trabajo para separar otros isotopólogos".
Referencia: “Separación de isótopos del agua utilizando materiales porosos reguladores de la difusión” por Yan Su, Ken-ichi Otake, Jia-Jia Zheng, Satoshi Horike, Susumu Kitagawa y Cheng Gu, 9 de noviembre de Naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41586-022-05310-y
