Một hành động lật trong vật liệu xốp tạo điều kiện cho nước thông thường đi qua để tách nó ra khỏi nước nặng.
Một nhóm nghiên cứu do Susumu Kitagawa thuộc Viện Khoa học Vật liệu Tế bào (iCeMS) của Đại học Kyoto, Nhật Bản và Cheng Gu của Đại học Công nghệ Nam Trung Quốc, Trung Quốc, dẫn đầu đã tạo ra một loại vật liệu có thể tách nước nặng ra khỏi nước bình thường ở nhiệt độ phòng một cách hiệu quả. Cho đến nay, quá trình này rất khó khăn và tốn nhiều năng lượng. Những phát hiện này có ý nghĩa đối với các quy trình công nghiệp – và thậm chí cả sinh học – liên quan đến việc sử dụng các dạng khác nhau của cùng một phân tử. Các nhà khoa học đã báo cáo kết quả của họ trên tạp chí Thiên nhiên.
Đồng vị là những phân tử có cùng công thức hóa học và các nguyên tử của chúng liên kết theo cách sắp xếp tương tự nhau, nhưng ít nhất một trong số các nguyên tử của chúng có số nơtron khác với phân tử mẹ. Ví dụ, một phân tử nước (H2O) được hình thành từ một nguyên tử oxy và hai nguyên tử hydro. Hạt nhân của mỗi nguyên tử hydro chứa một proton và không có neutron. Trong nước nặng (D2O), mặt khác, nguyên tử deuterium (D) là đồng vị hydro với hạt nhân chứa một proton và một neutron. Nước nặng có ứng dụng trong các lò phản ứng hạt nhân, hình ảnh y tế và trong các nghiên cứu sinh học.
Nhà khoa học vật liệu Cheng Gu giải thích: “Các chất đồng vị của nước là một trong những chất khó phân tách nhất vì tính chất của chúng rất giống nhau. “Công việc của chúng tôi đã cung cấp một cơ chế chưa từng có để tách các chất đồng vị của nước bằng phương pháp tách hấp phụ.”
Gu và nhà hóa học Susumu Kitagawa, cùng với các đồng nghiệp, dựa trên kỹ thuật phân tách của họ dựa trên polyme phối hợp xốp (PCP) dựa trên đồng. PCP là vật liệu tinh thể xốp được hình thành từ các nút kim loại được kết nối bằng các liên kết hữu cơ. Nhóm đã thử nghiệm hai PCP được tạo bằng các loại trình liên kết khác nhau.
Điều làm cho các PCP của họ trở nên đặc biệt quan trọng đối với việc phân tách đồng vị là các trình liên kết lật khi được làm nóng vừa phải. Hành động lật này hoạt động giống như một cánh cổng, cho phép các phân tử đi từ 'lồng' này trong PCP sang 'lồng' khác. Chuyển động bị chặn khi vật liệu được làm mát.
Khi các nhà khoa học cho 'các tinh thể động lực lật' của họ tiếp xúc với hơi chứa hỗn hợp nước bình thường, nặng và bán nặng, sau đó làm ấm nó một chút, chúng hấp thụ nước bình thường nhanh hơn nhiều so với hai chất đồng vị còn lại. Điều quan trọng, quá trình này xảy ra trong phạm vi nhiệt độ phòng.
Kitagawa cho biết: “Sự phân tách hấp phụ của các chất đồng vị nước trong nghiên cứu của chúng tôi về cơ bản vượt trội so với các phương pháp thông thường do tính chọn lọc rất cao khi vận hành ở nhiệt độ phòng. “Chúng tôi lạc quan rằng các vật liệu mới được hướng dẫn bởi công việc của chúng tôi sẽ được phát triển để phân tách các chất đồng vị khác.”
Tham khảo: “Tách các chất đồng vị của nước bằng cách sử dụng vật liệu xốp điều tiết khuếch tán” của Yan Su, Ken-ichi Otake, Jia-Jia Zheng, Satoshi Horike, Susumu Kitagawa và Cheng Gu, ngày 9 tháng XNUMX, Thiên nhiên.
DOI: 10.1038 / s41586-022-05310-y
