Un nuovo studio condotto da un team internazionale di ricercatori affiliati all'UNIST è riuscito a sviluppare un nuovo metodo di separazione del deuterio utilizzando una classe speciale di strutture metalliche organiche (MOF) le cui dimensioni dei pori cambiano all'adsorbimento del gas. Questa nuova strategia consente al deuterio di diffondersi più rapidamente attraverso i pori espansi dei MOF in risposta all'adsorbimento di gas idrogeno.

Questa svolta deriva da un recente studio condotto dal professor Hoi Ri Moon presso la School of Natural Science dell'UNIST in collaborazione con il professor Hyunchul Oh della Gyeongnam National University of Science and Technology (GNTECH), e il Dr. Michael Hirscher del Max Planck Institute for Intelligent Systems. Pubblicato nel numero del 27 novembre del Giornale della Società Chimica Americana , lo studio dimostra che un materiale poroso dinamico può separare miscele di molecole di dimensioni e forma simili che richiedono una precisa regolazione dei pori.

Le strutture metallo-organiche flessibili (MOF) sono una classe unica di materiali che mostrano cambiamenti dinamici dell'apertura dei pori innescati da stimoli esterni. Nei MOF flessibili, adsorbimento e desorbimento di molecole ospiti, variazioni di temperatura, e anche la pressione meccanica provoca l'espansione e la contrazione del diametro dei pori, il processo simile al meccanismo di respirazione.

Nello studio, il team di ricerca ha studiato sperimentalmente la transizione respiratoria dinamica del sistema MOF flessibile MIL-53(Al) per un'efficiente separazione degli isotopi dell'idrogeno. Lo studio è il primo tentativo di sfruttare la flessibilità strutturale dei MOF causata dal fenomeno della respirazione per la separazione degli isotopi dell'idrogeno.

"Agli stimoli esterni, i MOF flessibili cambiano le loro dimensioni dei pori e questo si traduce in un effetto, noto come respirazione in cui i pori si contraggono o si espandono come risposta, "dice Jin Yeong Kim, il primo autore dello studio. "Con l'aiuto di questa strategia, è possibile adsorbire e desorbire selettivamente i componenti del gas desiderati."

Nello studio, La professoressa Moon e il suo gruppo di ricerca hanno sviluppato una strategia per separare efficacemente gli isotopi dell'idrogeno attraverso il cambiamento dinamico dei pori durante la respirazione di MIL-53(Al). Il MIL-53 (Al) è un rappresentante di MOF flessibili con una struttura di rete, simile a quello di un lungo tubo di gomma con entrambe le estremità aperte.

A temperatura criogenica (-233 °C), pori stretti (0,26 nm, 1 nm =miliardesimo di metro) in MIL-53 (Al) aumenta a pori grandi (0,85 nm) all'adsorbimento di idrogeno. L'espansione inizia all'ingresso e si propaga al centro. Qui, il deuterio si diffonde molto più rapidamente dell'idrogeno. La diffusione del deuterio avviene più vicino al centro dove si trovano i pori stretti. Di conseguenza, solo il deuterio rimane in MIL-35 (Al).

"C'è un momento in cui il deuterio può essere individuato al meglio durante il cambiamento dinamico della struttura dei pori della struttura metallo-organica flessibile". dice il professor Moon, il corrispondente autore dell'articolo. lei aggiunge, "Se cogli questo momento, il deuterio può essere facilmente ottenuto alla massima efficienza senza dover progettare e sintetizzare un complesso sistema di separazione."

I ricercatori hanno sistematicamente regolato la struttura dei pori modificando la temperatura di esposizione, pressione, e tempo per trovare la struttura ottimale dei pori di MIL-53(Al). Di conseguenza, una grande quantità di deuterio (12 mg) per 1 g di MIL-53 (Al) potrebbe essere separata. Per riferimento, nello studio precedente, la quantità di separazione del deuterio era di soli 5 mg per grammo di materiale poroso.

"Questo studio dimostra il potenziale di una struttura metallo-organica flessibile nella separazione degli isotopi dell'idrogeno, " dice il professor Oh, il corrispondente autore dell'articolo. Aggiunge, "Questa ricerca fornirà nuove idee per lo sviluppo di un sistema efficiente, esibendo sia elevata selettività che capacità di separazione, per separare miscele di gas di atomi/molecole con dimensioni e forma simili."