Ruch obrotowy w porowatym materiale ułatwia przepływ normalnej wody w celu oddzielenia jej od ciężkiej wody.
Grupa badawcza kierowana przez Susumu Kitagawa z Instytutu Nauk o Materiałach Komórkowych (iCeMS) Uniwersytetu w Kioto w Japonii i Cheng Gu z Politechniki Południowochińskiej w Chinach stworzyła materiał, który może skutecznie oddzielać ciężką wodę od zwykłej wody w temperaturze pokojowej. Do tej pory proces ten był bardzo trudny i energochłonny. Odkrycia mają implikacje dla procesów przemysłowych, a nawet biologicznych, które wymagają użycia różnych form tej samej cząsteczki. Naukowcy opisali swoje wyniki w czasopiśmie Natura.
Izotopologami są cząsteczki, które mają ten sam wzór chemiczny i których atomy wiążą się w podobny sposób, ale przynajmniej jeden z ich atomów ma inną liczbę neutronów niż cząsteczka macierzysta. Na przykład cząsteczka wody (H2O) składa się z jednego atomu tlenu i dwóch atomów wodoru. Jądro każdego z atomów wodoru zawiera jeden proton i nie zawiera neutronów. W ciężkiej wodzie (D2O), natomiast atomy deuteru (D) to izotopy wodoru, których jądra zawierają jeden proton i jeden neutron. Ciężka woda ma zastosowanie w reaktorach jądrowych, obrazowaniu medycznym i badaniach biologicznych.
„Izotopologie wody należą do najtrudniejszych do rozdzielenia, ponieważ ich właściwości są bardzo podobne” — wyjaśnia materiałoznawca Cheng Gu. „Nasza praca zapewniła bezprecedensowy mechanizm rozdzielania izotopologów wody przy użyciu metody separacji adsorpcyjnej”.
Gu i chemik Susumu Kitagawa wraz ze współpracownikami oparli swoją technikę separacji na porowatym polimerze koordynacyjnym (PCP) na bazie miedzi. PCP to porowate materiały krystaliczne utworzone z metalowych węzłów połączonych organicznymi łącznikami. Zespół przetestował dwa PCP wykonane z różnych typów łączników.
To, co sprawia, że ich PCP są szczególnie ważne dla separacji izotopologów, to fakt, że łączniki odwracają się po umiarkowanym podgrzaniu. To odwracanie działa jak brama, umożliwiając cząsteczkom przejście z jednej „klatki” w PCP do drugiej. Ruch jest blokowany, gdy materiał jest schładzany.
Kiedy naukowcy wystawili swoje dynamiczne kryształy typu „flip-flop” na działanie pary zawierającej mieszaninę normalnej, ciężkiej i półciężkiej wody, a następnie lekko ją ogrzali, zaadsorbowali zwykłą wodę znacznie szybciej niż pozostałe dwa izotopologie. Co najważniejsze, proces ten zachodził w zakresie temperatur pokojowych.
„Adsorpcyjna separacja izotopologów wody w naszej pracy jest znacznie lepsza niż konwencjonalne metody ze względu na bardzo wysoką selektywność w temperaturze pokojowej”, mówi Kitagawa. „Jesteśmy optymistami, że dzięki naszej pracy zostaną opracowane nowe materiały w celu oddzielenia innych izotopologów”.
Odniesienie: „Rozdzielanie izotopologów wody za pomocą porowatych materiałów regulujących dyfuzję” autorstwa Yan Su, Ken-ichi Otake, Jia-Jia Zheng, Satoshi Horike, Susumu Kitagawa i Cheng Gu, 9 listopada, Natura.
DOI: 10.1038 / s41586-022-05310-y
