Dopo che il combustibile nucleare usato viene rimosso da un reattore, emette calore per decenni e rimane radioattivo per migliaia di anni. Il combustibile utilizzato è una miscela dei principali attinidi (uranio, plutonio), prodotti di fissione (principalmente metalli assortiti, compresi i lantanidi) e attinidi minori (cioè, americio, curio e nettunio). Dopo che i prodotti di fissione del cesio-137 e dello stronzio-90 decadono in poche centinaia di anni, gli attinidi minori e il plutonio generano la maggior parte del calore e della radioattività. Rimozione degli attinidi minori, soprattutto americio, può aiutare i produttori di energia nucleare a ridurre e gestire meglio il flusso di rifiuti.

Un team dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia ha progettato e sintetizzato una trappola molecolare selettiva in grado di separare l'americio, elemento minore attinide, da una miscela di americio e gli elementi lantanidi, utilizzando europio come lantanide modello negli esperimenti. Considerando che l'americio recuperato potrebbe essere bruciato nei reattori nucleari, i lantanidi sono "veleni neutronici" e devono essere smaltiti in un deposito geologico per decomporsi.

"Separare l'americio è molto impegnativo poiché attinidi e prodotti di fissione, in particolare i lantanidi, hanno proprietà molto simili, " ha affermato il chimico organico dell'ORNL Santa Jansone-Popova, autore principale dello studio, che è stato pubblicato sulla rivista dell'American Chemical Society Chimica inorganica . "Abbiamo affrontato questa sfida, oggetto di intensi sforzi nella comunità scientifica, con un'innovazione che migliora notevolmente l'efficienza dell'estrazione di americio".

"Energia nucleare, per raggiungere uno stato di sostenibilità, richiederà il riciclaggio del combustibile nucleare usato, " ha detto Bruce Moyer, leader del Chemical Separations Group di ORNL e autore senior del documento. Questa impresa richiederebbe la separazione degli attinidi minori. La ricerca ORNL individua un metodo inventivo per separarli in modo selettivo ed efficiente. Separazioni migliorate consentirebbero un'opzione chiusa di riciclaggio del combustibile nucleare, una prospettiva allettante considerando che gli Stati Uniti utilizzano solo l'1% dell'energia nucleare potenziale dell'uranio che estrae e attualmente non ricicla il combustibile nucleare.

Progettare e sintetizzare un composto organico per legare fortemente l'americio in presenza di europio ha richiesto un lavoro di squadra caratteristico di un laboratorio nazionale. I collaboratori includevano i teorici Alexander Ivanov e Vyacheslav Bryantsev; chimici organici Jansone-Popova, Ilja Popovs e Madeline Dekarske; caratterizzazioni strutturali chimico Radu Custelcean; e separatori chimici Frederick Sloop e Moyer.

Un composto chimico (chiamato ligando) può legare un atomo di metallo. Per un'elevata selettività nella rilegatura, il metallo e il ligando devono allinearsi, poiché una chiave deve assumere un certo orientamento prima di poter entrare in una serratura. Nel 2015, Bryantsev e Ben Hay di ORNL hanno ipotizzato e dimostrato computazionalmente che ligandi molto rigidi contenenti quattro atomi donatori di elettroni sarebbero ideali per sequestrare atomi di attinidi che sono trivalenti (hanno una carica positiva netta di tre).

Quando i chimici dell'ORNL hanno deciso di testare sperimentalmente questa idea, hanno subito riscontrato un problema significativo. Tali ligandi non erano mai stati riportati nella letteratura scientifica; dovrebbero essere progettati e sintetizzati da zero.

Moyer suggerì di creare un ligando che fosse saturo (cioè, contiene singoli legami) e preorganizzato (posiziona gli atomi in modo ottimale per legare un metallo). I calcoli basati sulla teoria di Bryantsev e Ivanov hanno confermato che questo ligando preorganizzato separerebbe l'americio da una miscela di americio ed europio.

La squadra si è rivolta a Jansone-Popova, esperto in sintesi totali di molecole complesse, per generare una nuova famiglia di ligandi. Popovs ha aiutato a identificare le migliori vie di sintesi, e Dekarské, uno stagista dell'Agnes Scott College, materiali di partenza realizzati. Custelcean ha risolto le strutture cristalline dei prodotti finali.

Jansone-Popova ha creato la forma satura del ligando preorganizzato, un'ammide ciclica contenente un atomo di azoto e un carbonio a doppio legame con l'ossigeno. Quindi introdusse un doppio legame in quel sistema ad anello ammidico per creare una forma ciclica insatura. In un ligando che non è preorganizzato, gruppi chimici chiamati piridine sono rivolti l'uno verso l'altro. L'introduzione di una base azotata preorganizza il sistema in modo che le piridine siano rivolte nella stessa direzione.

I ligandi tetradentati risultanti ("a quattro denti") contenevano atomi che sono fortemente attratti da ioni caricati positivamente e donano elettroni. I ligandi progettati presentano due atomi di azoto e due di ossigeno che si coordinano con il metallo americio.

Nel laboratorio di radiochimica, gli esperimenti hanno mostrato che sia i ligandi saturi che quelli insaturi legano fortemente l'americio e l'europio. Però, solo il ligando insaturo era straordinariamente selettivo per l'americio.

I calcoli hanno rivelato che la rigidità del ligando è cruciale per la selettività.

Il titolo dell'articolo è "Bis-lactam-1, 10-fenantrolina (BLPhen), un Nuovo Tipo di N Misto Preorganizzato, O-Donor Ligand che separa Am(III) su Eu(III) con un'efficienza eccezionalmente alta."