Izotopy wodoru są niezbędne dla współczesnej medycyny i zrównoważonej energii, ale ich oddzielanie jest nieefektywne i kosztowne.
Nowe badania z wykorzystaniem struktur metaloorganicznych obiecujące w zakresie ulepszenia tego procesu w temperaturze pokojowej, prowadzone przez dobrze finansowaną niemiecką grupę badawczą szkolącą kolejne pokolenie naukowców.
Prot, znany również jako wodór-1, jest najobficiej występującym izotopem wodoru. Jego cięższy odpowiednik, deuter, odgrywa coraz większą rolę w środkach farmaceutycznych, zwiększając stabilność i skuteczność leków. Razem z trytem deuter tworzy „superciężkie” paliwo wodorowe do syntezy jądrowej, czyli zrównoważone źródło energii przyszłości. Jednakże skuteczne i niedrogie oczyszczanie tych izotopów pozostaje wyzwaniem ze względu na ich podobne właściwości fizyczne. Obecne metody separacji izotopów są energochłonne i mało wydajne.
Wyzwania w separacji izotopów
„Od prawie 15 lat wiadomo, że porowate struktury metaloorganiczne można w zasadzie stosować do oczyszczania i oddzielania izotopów wodoru. Było to jednak możliwe tylko w bardzo niskich temperaturach, około minus 200 stopni Celsjusz – warunki, których wdrożenie na skalę przemysłową jest bardzo kosztowne” – mówi profesor Knut Asmis z Instytutu Chemii Fizycznej i Teoretycznej im. Wilhelma Ostwalda na Uniwersytecie w Lipsku i rzecznik Research Training Group.
Dodaje, że mechanizm separacji opiera się na silnie uprzywilejowanej adsorpcji jednego z izotopów obecnych na jednym z centrów wolnego metalu w porowatej substancji stałej. Adsorpcja to proces, w wyniku którego atomy, jony lub cząsteczki gazu lub cieczy przylegają do stałej, często porowatej powierzchni.
Postępy w badaniach izotopów wodoru
Doktoranci z 1,2,3H Research Training Group Elvira Dongmo, Shabnam Haque i Florian Kreuter, którzy są członkami jednej z grup badawczych kierowanych przez profesora Thomasa Heinego (TU Dresden), profesora Knuta Asmisa i profesora Ralfa Tonnera-Zecha (oba uniwersytet w Lipsku), uzyskali teraz głębszy wgląd w wpływ środowiska szkieletowego na selektywność wiązania. Oznacza to pytanie, dlaczego jeden z izotopów ma większą skłonność do przylegania niż drugi. Zostało to szczegółowo rozszyfrowane w niniejszym badaniu poprzez synergiczne wzajemne oddziaływanie najnowocześniejszej spektroskopii, obliczeń chemii kwantowej i analizy wiązania chemicznego w systemie modelowym.
„Po raz pierwszy udało nam się wykazać wpływ poszczególnych atomów związków szkieletowych na adsorpcję. Możemy teraz je optymalizować w ukierunkowany sposób, aby uzyskać materiały o wysokiej selektywności w temperaturze pokojowej” – mówi Heine.
Wspólne wysiłki badawcze i szkoleniowe
The 1,2,3H Research Training Group, finansowana przez Niemiecką Fundację Badawczą (DFG) kwotą 5,4 mln euro w ciągu 4,5 lat, od października 2021 r. kształci ponad 20 doktorantów. Łączy w sobie wiedzę i doświadczenie Uniwersytetu w Lipsku, TU Dresden, Helmholtz-Zentrum Drezno-Rossendorforaz Instytut Inżynierii Powierzchni im. Leibniza w celu opracowania nowych materiałów, skuteczniejszych leków i czulszych metod wykrywania poprzez połączenie środków na badania podstawowe i szkolenia w dziedzinie izotopów wodoru. Druga kohorta składająca się z około 15–20 doktorantów rozpocznie trzyletni ustrukturyzowany program doktorancki w dniu 1 października 2024 r.
Odniesienie: „Bezpośredni dowód na wzmocnioną ligandem aktywność miejsc Cu(I)” autorstwa Elviry Gouatieu Dongmo, Shabnam Haque, Florian Kreuter, Toshiki Wulf, Jiaye Jin, Ralf Tonner-Zech, Thomas Heine i Knut R. Asmis, 16 sierpnia 2024 r. , Nauka chemiczna.
DOI: 10.1039/D4SC04582C
