Una scoperta dei ricercatori dell'Università dell'Indiana potrebbe far progredire lo stoccaggio a lungo termine delle scorie nucleari, un compito sempre più gravoso e costoso per le agenzie pubbliche e private che proteggono le persone da queste sostanze chimiche dannose.

In uno studio pubblicato il 14 settembre, gli scienziati riferiscono di aver sviluppato un nuovo principio chimico con il potenziale per rivoluzionare la creazione di molecole appositamente progettate che estraggono elementi radioattivi dalle scorie nucleari, riducendo significativamente il volume di questi materiali pericolosi. Il metodo è applicabile anche a molecole create per estrarre inquinanti chimici dall'acqua e dal suolo.

"Questo lavoro rappresenta un importante passo avanti nello sforzo di progettare nanostrutture appositamente progettate fornendo un nuovo, metodo altamente accurato per prevedere come queste molecole si comporteranno in soluzione, " ha detto l'autore principale Amar Flood, un professore nel Dipartimento di Chimica dell'IU Bloomington College of Arts and Sciences.

La ricerca è riportata in un articolo di copertina sulla rivista chimica .

Flood ha affermato che lo studio affronta il fatto che è quasi impossibile prevedere l'efficienza delle prestazioni di una molecola ingegnerizzata nel mondo reale. Questo perché i chimici possono attualmente progettare solo molecole per funzionare in isolamento, nonostante il fatto che le molecole esistano in combinazione, o "in soluzione", con altre molecole. Acqua salata, Per esempio, è una soluzione di sale in acqua.

Ha paragonato la situazione alla progettazione di una macchina nello spazio e poi a posizionarla sul fondo dell'oceano. Il dispositivo impregnato d'acqua non funzionerà come il design originale.

Ciò è particolarmente grave perché la creazione di molecole artificiali per svolgere una funzione specifica richiede un design estremamente preciso, come costruire un lucchetto per adattarsi a una chiave. Per esempio, una molecola speciale sviluppata dal laboratorio di Flood, chiamato cianostella, consiste in un reticolo a forma di stella a cinque lati di atomi di carbonio e azoto con un centro vuoto - il "lucchetto" - la cui forma specifica fa sì che molecole cariche negativamente come fosfati e nitrati - la "chiave" - ​​si afferrino al centro e si rompano fuori dal loro ospite precedente. Se la soluzione riempie o deforma la serratura, la chiave potrebbe non funzionare più.

Strutture come la cyanostar sono anche conosciute come "molecole recettoriali" perché sono appositamente progettate per ricevere molecole specifiche. Oltre alla riduzione delle scorie nucleari, questa tecnologia può essere utilizzata per rimuovere il cloruro dall'acqua, una parte del processo utilizzato per convertire l'acqua di mare in acqua dolce, per eliminare i fertilizzanti chimici in eccesso dal suolo, o per raccogliere ioni di litio utilizzati nell'energia rinnovabile.

Con le modalità riportate nel documento, Diluvio ha detto, i chimici possono iniziare a progettare nuove reazioni molecolari con l'obiettivo finale in mente. Nello specifico, il nuovo principio rileva che l'attrazione tra le molecole del recettore e le molecole di ioni caricati negativamente si basa sulla costante dielettrica del solvente in cui sono combinate. Una costante dielettrica è una misura della capacità di una sostanza di stabilizzare la carica elettrica.

Per testare il loro metodo, il team di IU ha applicato il principio chimico di nuova concezione al triazolofano, una molecola progettata per estrarre il cloruro dalle molecole circostanti, in combinazione con solventi chimici comunemente usati nelle reazioni per rimuovere gli ioni indesiderati da altri liquidi. In ogni caso, i principi scoperti dal gruppo di Flood prevedevano accuratamente l'efficacia delle molecole.

Il principale ricercatore responsabile del metodo è Yun Liu, un dottorato di ricerca studente nel laboratorio di Flood.

"L'attuale paradigma funziona solo per i progetti molecolari sul tavolo da disegno, in teoria, ", ha affermato Liu. "Ma vogliamo creare molecole che funzionino nella pratica per aiutare a risolvere i problemi nel mondo reale".

Il team ha anche notato che la capacità di prevedere con precisione come funzionerà una molecola in soluzione aiuterà nello sviluppo di simulazioni al computer altamente accurate per testare rapidamente molecole ingegnerizzate chimicamente progettate per ottenere effetti specifici.