Переворачивание пористого материала облегчает прохождение обычной воды, чтобы отделить ее от тяжелой воды.
Исследовательская группа под руководством Сусуму Китагава из Института клеточных наук Киотского университета (iCeMS), Япония, и Ченг Гу из Южно-Китайского технологического университета, Китай, создала материал, который может эффективно отделять тяжелую воду от обычной воды при комнатной температуре. До сих пор этот процесс был очень трудным и энергоемким. Полученные результаты имеют значение для промышленных и даже биологических процессов, в которых используются разные формы одной и той же молекулы. Ученые сообщили о своих результатах в журнале природа.
Изотопологи — это молекулы, которые имеют одинаковую химическую формулу и атомы которых связаны сходным образом, но по крайней мере один из их атомов имеет другое число нейтронов, чем исходная молекула. Например, молекула воды ( H2О) состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Ядро каждого из атомов водорода содержит один протон и не содержит нейтронов. В тяжелой воде (D2O), с другой стороны, атомы дейтерия (D) являются изотопами водорода с ядрами, содержащими один протон и один нейтрон. Тяжелая вода применяется в ядерных реакторах, медицинской визуализации и биологических исследованиях.
«Изотопологи воды труднее всего разделить, потому что их свойства очень похожи», — объясняет материаловед Ченг Гу. «Наша работа предоставила беспрецедентный механизм разделения изотопологов воды с использованием метода адсорбционного разделения».
Гу и химик Сусуму Китагава вместе с коллегами основали свой метод разделения на основе пористого координационного полимера (PCP) на основе меди. ПХФ представляют собой пористые кристаллические материалы, образованные металлическими узлами, соединенными органическими линкерами. Команда протестировала два PCP, сделанных с разными типами линкеров.
Что делает их PCP особенно важными для разделения изотопологов, так это то, что линкеры переворачиваются при умеренном нагревании. Это переворачивающее действие действует как ворота, позволяя молекулам проходить из одной «клетки» в PCP в другую. Движение блокируется, когда материал охлаждается.
Когда ученые подвергли свои «триггерные динамические кристаллы» воздействию пара, содержащего смесь нормальной, тяжелой и полутяжелой воды, а затем слегка нагрели его, они адсорбировали обычную воду намного быстрее, чем два других изотополога. Важно отметить, что этот процесс происходил в диапазоне комнатных температур.
«Адсорбционное разделение изотопологов воды в нашей работе существенно превосходит традиционные методы благодаря очень высокой селективности при работе при комнатной температуре», — говорит Китагава. «Мы с оптимизмом смотрим на то, что новые материалы, основанные на нашей работе, будут разработаны для разделения других изотопологов».
Ссылка: «Разделение изотопологов воды с использованием пористых материалов, регулирующих диффузию», Ян Су, Кен-ичи Отаке, Цзя-Цзя Чжэн, Сатоши Хорике, Сусуму Китагава и Ченг Гу, 9 ноября, природа.
DOI: 10.1038 / s41586-022-05310-y
