Группа учёных под руководством Линды Чжан из Университета Тохоку разработала новый металлорганический каркас (МОК), который позволяет рекордно разделять изотопы водорода. Селективность по отношению к соотношению D₂/H₂ составила 32,5 при температуре 60 К.
Основные результаты опубликованы в журнале Nature Communications. Это значительный шаг вперёд в поисках энергоэффективного производства дейтерия.
Дейтерий, стабильный изотоп водорода, незаменим во многих технологиях, включая ядерные реакторы синтеза, обработку полупроводников, производство оптических волокон и фармацевтических препаратов с маркировкой дейтерия. Однако его химическое сходство с обычным водородом делает изотопное разделение чрезвычайно сложным. Традиционные методы, такие как криогенная дистилляция, работают при температуре −250 °C и потребляют много энергии, что делает их дорогостоящими с точки зрения экологии и экономики.
Разработанный МОК, основанный на триазолатном лиганде и ионах марганца, демонстрирует исключительную селективность за счёт использования структурной динамики, специфичной для изотопологов. В этом новом механизме каркас реагирует по-разному в зависимости от того, содержит ли он водород или дейтерий.
При воздействии газовой смеси, содержащей менее 5% дейтерия (природное содержание), материал успешно концентрирует его до 75% за один цикл разделения, доказывая свой практический потенциал.
Эксперименты по нейтронной порошковой дифракции, проведённые в Австралийской организации научных и технологических исследований (ANSTO) и Национальной лаборатории Ок-Риджа (ORNL), выявили два различных участка адсорбции материала:
* участок 1: небольшие карманы, окружённые триазолатными лигандами;
* участок 2: более крупные каналы каркаса.
При низких температурах водород сначала заполняет один участок, а затем мигрирует на второй, в то время как дейтерий одновременно занимает оба. Это неожиданное поведение возникает из-за различий во взаимодействии каждого изотопа с решёткой, что вызывает тонкое, но измеримое расширение каркаса.
«Эта работа показывает, как точно настроенную динамику «хозяин-гость» на атомном уровне можно использовать для реальных приложений», — сказал старший автор Майкл Хиршер из Института Макса Планка (также аффилированный с WPI-AIMR, Университет Тохоку). «Она предлагает путь к созданию практических систем разделения изотопов, которые являются масштабируемыми и энергоэффективными».
«Наше исследование демонстрирует, что даже небольшие различия между изотопами могут быть усилены за счёт реактивного поведения материала», — добавила Чжан, которая также была ведущим автором статьи. «Это обеспечивает новую стратегию разделения изотопов с использованием подходов, основанных на материалах, а не только на крупномасштабных физических процессах».
Помимо своих характеристик, МОК выделяется своей практической жизнеспособностью. Он создан из коммерчески доступных лигандов и построен на модульном типе каркаса, который можно легко адаптировать к различным металлам. Эти характеристики в сочетании с исключительной селективностью указывают на большой потенциал для будущего масштабирования и промышленной интеграции.
Этот проект стал результатом тесного международного сотрудничества с участием исследователей из Японии, Германии, Австралии и США. Он также иллюстрирует важность междисциплинарных исследований, сочетающих опыт в химии материалов, физике конденсированных сред, нейтронном рассеянии и компьютерном моделировании. Объединив разнообразные знания, команда выявила механизмы изотопно-селективной адсорбции, которые остались бы скрытыми в рамках любой отдельной области.
Предоставлено Университетом Тохоку.