Перевертання пористого матеріалу полегшує проходження нормальної води, щоб відокремити її від важкої води.
Дослідницька група під керівництвом Сусуму Кітаґава з Інституту клітинних матеріалів Кіотського університету (iCeMS), Японія, та Ченг Гу з Південно-Китайського технологічного університету, Китай, створили матеріал, який може ефективно відокремлювати важку воду від звичайної води при кімнатній температурі. Досі цей процес був дуже важким і енергоємним. Отримані дані мають значення для промислових і навіть біологічних процесів, які передбачають використання різних форм однієї і тієї ж молекули. Про свої результати вчені повідомили в журналі природа.
Ізотопологи — це молекули, які мають однакову хімічну формулу й атоми яких зв’язуються в подібному порядку, але принаймні один із їхніх атомів має іншу кількість нейтронів, ніж вихідна молекула. Наприклад, молекула води (H2О) складається з одного атома кисню і двох атомів водню. Ядро кожного з атомів водню містить один протон і не містить нейтронів. У важкій воді (D2O), з іншого боку, атоми дейтерію (D) є ізотопами водню з ядром, що містить один протон і один нейтрон. Важка вода має застосування в ядерних реакторах, медичних зображеннях і біологічних дослідженнях.
«Ізотопологи води є одними з найважчих для відокремлення, оскільки їхні властивості дуже схожі», — пояснює матеріалознавець Чен Гу. «Наша робота забезпечила безпрецедентний механізм для розділення ізотопологів води за допомогою методу адсорбції та розділення».
Гу та хімік Сусуму Кітагава разом із колегами заснували свою техніку розділення на основі пористого координаційного полімеру (PCP) на основі міді. PCP — це пористі кристалічні матеріали, утворені металевими вузлами, з’єднаними органічними лінкерами. Команда протестувала два PCP, виготовлені з різними типами лінкерів.
Що робить їхні PCP особливо важливими для розділення ізотопологів, так це те, що лінкери перевертаються при помірному нагріванні. Це обертання діє як ворота, дозволяючи молекулам переходити з однієї «клітки» в PCP до іншої. Рух блокується, коли матеріал охолоджується.
Коли вчені піддали свої «перекидні динамічні кристали» випарам, що містили суміш звичайної, важкої та напівважкої води, а потім трохи нагріли її, вони адсорбували звичайну воду набагато швидше, ніж два інших ізотопологи. Важливо те, що цей процес відбувався в межах кімнатної температури.
«Адсорбційне розділення ізотопологів води в нашій роботі значно перевершує звичайні методи завдяки дуже високій селективності при кімнатній температурі», — говорить Кітагава. «Ми оптимістично налаштовані на те, що на основі нашої роботи будуть розроблені нові матеріали для розділення інших ізотопологів».
Довідка: «Поділ ізотопологів води за допомогою пористих матеріалів, що регулюють дифузію» Янь Су, Кен-ічі Отаке, Цзя-Цзя Чжен, Сатоші Хоріке, Сусуму Кітагава та Ченг Гу, 9 листопада, природа.
DOI: 10.1038/s41586-022-05310-y
