En vippehandling i et porøst materiale letter passasjen av normalt vann for å skille det ut fra tungt vann.
En forskergruppe ledet av Susumu Kitagawa fra Kyoto University's Institute for Cell-Material Sciences (iCeMS), Japan og Cheng Gu fra South China University of Technology, Kina har laget et materiale som effektivt kan skille tungtvann fra vanlig vann ved romtemperatur. Frem til nå har denne prosessen vært svært vanskelig og energikrevende. Funnene har implikasjoner for industrielle – og til og med biologiske – prosesser som involverer bruk av forskjellige former av samme molekyl. Forskerne rapporterte resultatene sine i tidsskriftet Natur.
Isotopologer er molekyler som har samme kjemiske formel og hvis atomer binder seg i lignende arrangementer, men minst ett av atomene deres har et annet antall nøytroner enn modermolekylet. For eksempel, et vannmolekyl (H2O) er dannet av ett oksygen og to hydrogenatomer. Kjernen til hvert av hydrogenatomene inneholder ett proton og ingen nøytroner. I tungt vann (D2O), på den annen side er deuterium (D) atomene hydrogenisotoper med kjerner som inneholder ett proton og ett nøytron. Tungtvann har bruksområder i atomreaktorer, medisinsk bildebehandling og i biologiske undersøkelser.
"Vannisotopologer er blant de vanskeligste å skille fordi egenskapene deres er så like," forklarer materialforsker Cheng Gu. "Vårt arbeid ga en enestående mekanisme for å separere vannisotopologer ved å bruke en adsorpsjon-separasjonsmetode."
Gu og kjemiker Susumu Kitagawa, sammen med kolleger, baserte sin separasjonsteknikk på en kobberbasert porøs koordinasjonspolymer (PCP). PCP-er er porøse krystallinske materialer dannet av metallnoder forbundet med organiske linkere. Teamet testet to PCP-er laget med forskjellige typer linkere.
Det som gjør PCP-ene deres spesielt viktige for isotopologseparasjon, er at linkerene snur når de er moderat oppvarmet. Denne vippehandlingen fungerer som en port, og lar molekyler passere fra ett "bur" i PCP til et annet. Bevegelse blokkeres når materialet er avkjølt.
Da forskerne eksponerte sine "flip-flop dynamiske krystaller" for damp som inneholdt en blanding av normalt, tungt og halvtungt vann og deretter varmet det opp litt, adsorberte de normalt vann mye raskere enn de gjorde de to andre isotopologene. Det er avgjørende at denne prosessen skjedde innenfor romtemperaturområder.
"Den adsorptive separasjonen av vannisotopologer i vårt arbeid er vesentlig bedre enn konvensjonelle metoder på grunn av svært høy selektivitet ved romtemperatur," sier Kitagawa. "Vi er optimistiske om at nye materialer styrt av vårt arbeid vil bli utviklet for å skille andre isotopologer."
Referanse: "Separering av vannisotopologer ved bruk av diffusjonsregulerende porøse materialer" av Yan Su, Ken-ichi Otake, Jia-Jia Zheng, Satoshi Horike, Susumu Kitagawa og Cheng Gu, 9. november, Natur.
DOI: 10.1038 / s41586-022-05310-y
