W świecie coraz bardziej zaniepokojonym środowiskowymi i geopolitycznymi konsekwencjami wykorzystania paliw kopalnych, energia jądrowa powróciła jako temat wielkiego zainteresowania. Jego zdolność do generowania energii elektrycznej na dużą skalę bez emisji gazów cieplarnianych jest obiecująca jako zrównoważone źródło czystej energii, które może pomostować w przejściu społeczeństwa od paliw kopalnych do przyszłości o zerowej wartości netto. Jednak wytwarzanie energii jądrowej wytwarza odpady radioaktywne. Bezpieczne gospodarowanie odpadami promieniotwórczymi pozostaje kluczowym wyzwaniem, któremu należy sprostać, aby zyskać zaufanie społeczne do tego przełomowego rozwiązania energetycznego.
Teraz zespół naukowców z University of Houston opracował innowacyjne rozwiązanie do zarządzania odpadami nuklearnymi: kryształy molekularne na bazie hydrazonów cyklotetrabenzylu. Kryształy te, oparte na przełomowym odkryciu dokonanym przez zespół w 2015 r., są w stanie wychwytywać jod – jeden z najczęstszych produktów rozszczepienia radioaktywnego – w roztworach wodnych i organicznych oraz na granicy faz między nimi.
“Ten ostatni punkt jest szczególnie istotny, ponieważ wychwytywanie jodu na interfejsach może uniemożliwić jodowi dotarcie i uszkodzenie specjalistycznych powłok malarskich stosowanych w reaktorach jądrowych i pojemnikach na odpady” – powiedział Ognjen Miljanic, profesor chemii i autor artykułu szczegółowo opisującego przełom w Cell Reports Physical Science.
Kryształy te wykazują zdumiewającą zdolność wchłaniania jodu, rywalizując z porowatymi strukturami metaloorganicznymi (MOF) i kowalencyjnymi strukturami organicznymi (COF), które wcześniej uważano za szczyt materiałów wychwytujących jod.
Alexandra Robles, pierwsza autorka badania i była doktorantka, która oparła swoją rozprawę doktorską na tych badaniach, pracowała z kryształami w laboratorium Miljanica, kiedy dokonała odkrycia. Jej zainteresowanie znalezieniem rozwiązania problemu odpadów nuklearnych skłoniło Robles do zbadania wykorzystania kryształów do wychwytywania jodu.
„Skończyło się na wychwytywaniu jodu na styku warstwy organicznej i wodnej, co jest zjawiskiem niedostatecznie zbadanym” – powiedział Miljanic, który dodał, że ta wyjątkowa cecha zapewnia kluczową przewagę. „Kiedy materiał osadza się między warstwą organiczną i wodną, zasadniczo zatrzymuje przenoszenie jodu z jednej warstwy do drugiej”.
Ten proces nie tylko zachowuje integralność powłok reaktora i zwiększa szczelność, ale wychwycony jod może być również przenoszony z jednego obszaru do drugiego. „Chodzi o to, aby uchwycić go w miejscu, w którym trudno nim zarządzać, a następnie wypuścić go w miejscu, w którym łatwo nim zarządzać” – powiedział Miljanic.
Inną zaletą tej technologii „złap i wypuść” jest to, że kryształy mogą być ponownie użyte. “Jeśli zanieczyszczenie po prostu przykleja się do regenta, całość musi zostać wyrzucona” – powiedział. „A to zwiększa marnotrawstwo i straty ekonomiczne”.
Oczywiście wszystkie te wielkie możliwości wciąż wymagają przetestowania w praktycznych zastosowaniach, co każe Miljanicowi myśleć o kolejnych krokach.
Cząsteczki, kryształy i ośmiornice, o rany!
Zespół Miljanica tworzy te maleńkie cząsteczki organiczne zawierające tylko atomy węgla, wodoru i tlenu przy użyciu dostępnych na rynku chemikaliów.
Każdy kryształ to struktura w kształcie pierścienia, z której wychodzi osiem liniowych elementów, co skłoniło zespół badawczy do nadania mu przydomka „Ośmiornica”.
“Są dość łatwe do wykonania i mogą być produkowane na dużą skalę ze stosunkowo niedrogich materiałów bez specjalnej atmosfery ochronnej” – powiedział Miljanic.
Ocenił, że obecnie może wyprodukować te kryształy kosztem około 1 dolara za gram w laboratorium akademickim. Miljanic uważa, że w środowisku przemysłowym koszty znacznie by spadły.
Te głodne małe kryształy są bardzo wszechstronne i mogą wychwytywać więcej niż jod. Miljanic i jego zespół wykorzystali niektóre z nich do wychwytywania dwutlenku węgla, co byłoby kolejnym wielkim krokiem w kierunku czystszego i bardziej zrównoważonego świata. Ponadto cząsteczki „Ośmiornicy” są blisko spokrewnione z tymi znajdującymi się w materiałach używanych do produkcji akumulatorów litowo-jonowych, co otwiera drzwi do innych możliwości energetycznych.
„Jest to rodzaj prostej cząsteczki, która może robić wiele różnych rzeczy w zależności od tego, jak zintegrujemy ją z resztą dowolnego systemu” – powiedział Miljanic. „Więc realizujemy również wszystkie te aplikacje”.
Jest podekscytowany mnogością potencjału kryształów i nie może się doczekać zbadania praktycznych zastosowań. Jego kolejnym celem jest znalezienie partnera, który pomoże naukowcom zbadać różne aspekty komercyjne.
Do tego czasu naukowcy planują dalsze badanie kinetyki i zachowania struktur krystalicznych, aby uczynić je jeszcze lepszymi.