Akytoje medžiagoje esantis apvertimas palengvina įprasto vandens pratekėjimą, kad būtų atskirtas nuo sunkaus vandens.
Tyrimų grupė, vadovaujama Susumu Kitagawa iš Kioto universiteto Ląstelių medžiagų mokslų instituto (iCeMS) Japonijoje ir Cheng Gu iš Pietų Kinijos technologijos universiteto (Kinija), pagamino medžiagą, kuri gali efektyviai atskirti sunkųjį vandenį nuo įprasto vandens kambario temperatūroje. Iki šiol šis procesas buvo labai sunkus ir reikalaujantis daug energijos. Išvados turi įtakos pramoniniams ir net biologiniams procesams, kuriuose naudojamos skirtingos tos pačios molekulės formos. Savo rezultatus mokslininkai paskelbė žurnale Gamta.
Izotopologai yra molekulės, turinčios tą pačią cheminę formulę ir kurių atomai jungiasi panašiai, tačiau bent vienas jų atomas turi skirtingą neutronų skaičių nei pagrindinėje molekulėje. Pavyzdžiui, vandens molekulė (H2O) sudarytas iš vieno deguonies ir dviejų vandenilio atomų. Kiekvieno vandenilio atomo branduolyje yra vienas protonas ir nėra neutronų. Sunkiame vandenyje (D2O), kita vertus, deuterio (D) atomai yra vandenilio izotopai, kurių branduoliai turi vieną protoną ir vieną neutroną. Sunkusis vanduo naudojamas branduoliniuose reaktoriuose, medicininiuose vaizduose ir biologiniuose tyrimuose.
„Vandens izotopologai yra vieni iš sunkiausių atskirti, nes jų savybės labai panašios“, – aiškina medžiagų mokslininkas Cheng Gu. „Mūsų darbas suteikė precedento neturintį vandens izotopologų atskyrimo mechanizmą naudojant adsorbcijos atskyrimo metodą.
Gu ir chemikas Susumu Kitagawa kartu su kolegomis savo atskyrimo techniką grindė vario pagrindu pagamintu porėtu koordinaciniu polimeru (PCP). PCP yra porėtos kristalinės medžiagos, sudarytos iš metalinių mazgų, sujungtų organiniais jungikliais. Komanda išbandė du PCP, pagamintus su skirtingų tipų jungikliais.
Dėl ko jų PCP yra ypač svarbūs izotopologų atskyrimui, yra tai, kad saitai apsiverčia vidutiniškai kaitinant. Šis vartymo veiksmas veikia kaip vartai, leidžiantys molekulėms pereiti iš vieno PCP „narve“ į kitą. Medžiagai aušinant, judėjimas blokuojamas.
Kai mokslininkai savo „flip-flop dinaminius kristalus“ paveikė garais, kuriuose yra normalaus, sunkaus ir pusiau sunkaus vandens mišinio, o po to šiek tiek pašildydavo, jie adsorbavo įprastą vandenį daug greičiau nei kiti du izotopologai. Svarbiausia, kad šis procesas vyko kambario temperatūros diapazone.
„Mūsų darbe adsorbcinis vandens izotopologų atskyrimas yra žymiai pranašesnis už įprastus metodus dėl labai didelio selektyvumo kambario temperatūroje“, - sako Kitagawa. "Esame optimistiškai nusiteikę, kad naujos medžiagos, vadovaujantis mūsų darbu, bus sukurtos siekiant atskirti kitus izotopologus."
Nuoroda: „Vandens izotopologų atskyrimas naudojant difuziją reguliuojančias porėtas medžiagas“, Yan Su, Ken-ichi Otake, Jia-Jia Zheng, Satoshi Horike, Susumu Kitagawa ir Cheng Gu, lapkričio 9 d. Gamta.
DOI: 10.1038 / s41586-022-05310-m
