Door libelvormige poortmoleculen in PCP/MOF’s op te nemen, is het honderd keer efficiënter dan voorheen om water te scheiden van zwaar water, dat vanwege hun vergelijkbare eigenschappen moeilijk te scheiden was. Krediet: Mindy Takamiya/Kyoto University iCeMS
Een flipping-actie in een poreus materiaal vergemakkelijkt de doorgang van normaal water om het te scheiden van zwaar water.
Een onderzoeksgroep onder leiding van Susumu Kitagawa van het Institute for Cell-Material Sciences (iCeMS) van de Universiteit van Kyoto, Japan en Cheng Gu van de South China University of Technology, China, hebben een materiaal gemaakt dat bij kamertemperatuur effectief zwaar water van normaal water kan scheiden. Tot nu toe was dit proces erg moeilijk en energie-intensief. De bevindingen hebben implicaties voor industriële – en zelfs biologische – processen waarbij verschillende vormen van hetzelfde molecuul worden gebruikt. De wetenschappers rapporteerden hun resultaten in het tijdschrift Natuur.
Isotopologen zijn moleculen die dezelfde chemische formule hebben en waarvan de atomen zich in vergelijkbare rangschikkingen binden, maar ten minste één van hun atomen heeft een ander aantal neutronen dan het moedermolecuul. Een watermolecuul (H2O) bestaat uit één zuurstof- en twee waterstofatomen. De kern van elk van de waterstofatomen bevat één proton en geen neutronen. In zwaar water (D2O) daarentegen zijn de deuteriumatomen (D) waterstofisotopen met kernen die één proton en één neutron bevatten. Zwaar water heeft toepassingen in kernreactoren, medische beeldvorming en biologisch onderzoek.
« Waterisotopologen behoren tot de moeilijkst te scheiden omdat hun eigenschappen zo op elkaar lijken », legt materiaalwetenschapper Cheng Gu uit. « Ons werk bood een ongekend mechanisme voor het scheiden van waterisotopologen met behulp van een adsorptie-scheidingsmethode. »
Gu en chemicus Susumu Kitagawa hebben samen met collega’s hun scheidingstechniek gebaseerd op een op koper gebaseerd poreus coördinatiepolymeer (PCP). PCP’s zijn poreuze kristallijne materialen gevormd uit metalen knooppunten verbonden door organische linkers. Het team testte twee PCP’s gemaakt met verschillende soorten linkers.
Wat hun PCP’s vooral belangrijk maakt voor isotopologische scheiding, is dat de linkers omdraaien bij matige verhitting. Deze omdraaiende actie werkt als een poort, waardoor moleculen van de ene ‘kooi’ in de PCP naar de andere kunnen gaan. Beweging wordt geblokkeerd wanneer het materiaal is afgekoeld.
Toen de wetenschappers hun ‘flip-flop dynamische kristallen’ blootstelden aan damp die een mengsel van normaal, zwaar en halfzwaar water bevatte en het vervolgens een beetje opwarmden, adsorbeerden ze normaal water veel sneller dan de andere twee isotopen. Cruciaal is dat dit proces plaatsvond binnen kamertemperatuurbereiken.
« De adsorptiescheiding van waterisotopologen in ons werk is aanzienlijk superieur aan conventionele methoden vanwege de zeer hoge selectiviteit bij werking bij kamertemperatuur », zegt Kitagawa. « We zijn optimistisch dat nieuwe materialen, geleid door ons werk, zullen worden ontwikkeld om andere isotopen te scheiden. »
Referentie: « Waterisotopologen scheiden met diffusieregulerende poreuze materialen » door Yan Su, Ken-ichi Otake, Jia-Jia Zheng, Satoshi Horike, Susumu Kitagawa en Cheng Gu, 9 november, Natuur.
DOI: 10.1038/s41586-022-05310-y
