Un nuovo materiale ibrido sviluppato dagli scienziati dell'Università di Liverpool potrebbe avvicinare ulteriormente il sogno di una fusione nucleare priva di carbonio.

La separazione dei tre isotopi dell'idrogeno (idrogeno, deuterio, e trizio) è di fondamentale importanza per la tecnologia dell'energia da fusione, ma le tecnologie attuali sono sia ad alta intensità energetica che inefficienti. I materiali nanoporosi hanno il potenziale per separare gli isotopi dell'idrogeno mediante un processo noto come setacciamento quantistico cinetico (KQS), ma i livelli di prestazioni scadenti attualmente impediscono lo scale up.

In un nuovo studio pubblicato su Scienza , i ricercatori della Materials Innovation Factory dell'Università di Liverpool hanno creato gabbie organiche ibride porose in grado di setacciare quantisticamente ad alte prestazioni che potrebbero aiutare a far progredire le tecnologie di separazione degli isotopi deuterio/idrogeno necessarie per l'energia di fusione.

Deuterio, chiamato anche idrogeno pesante, ha una serie di usi commerciali e scientifici, compresa l'energia nucleare, Spettroscopia NMR e farmacologia. Queste applicazioni richiedono deuterio di elevata purezza, che è costoso a causa della sua bassa abbondanza naturale. Arricchimento di deuterio da materie prime contenenti idrogeno, come l'acqua di mare, è un importante processo industriale, ma è costoso e richiede molta energia.

Le gabbie organiche porose sono un materiale poroso emergente, segnalato per la prima volta dal gruppo del professor Andrew Cooper presso l'Università di Liverpool nel 2009, che sono stati utilizzati in precedenza per la separazione degli isomeri di xilene, gas nobili, e molecole chirali.

Però, purificare il deuterio da miscele di gas idrogeno/deuterio in questo modo è difficile perché entrambi gli isotopi hanno la stessa dimensione e forma in condizioni normali. Combinando le gabbie a pori piccoli e a pori grandi insieme in un unico solido, il gruppo ha ora prodotto un materiale con prestazioni di separazione di alta qualità che combina un'eccellente selettività deuterio/idrogeno con un elevato assorbimento di deuterio.

La ricerca è stata guidata dal professor Andrew Cooper FRS, il cui team presso la Materials Innovation Factory ha progettato e sintetizzato i nuovi sistemi di gabbie. Un team separato guidato dal Dr. Michael Hirscher presso il Max Planck Institute for Intelligent Systems ha testato le prestazioni di separazione utilizzando la spettroscopia criogenica di desorbimento termico.

Il professor Cooper ha dichiarato:"La separazione degli isotopi dell'idrogeno è una delle separazioni molecolari più difficili conosciute oggi. Il "Santo Graal" per la separazione dell'idrogeno/deuterio consiste nell'introdurre esattamente la giusta dimensione dei pori per ottenere un'elevata selettività senza compromettere troppo l'assorbimento del gas. "

"Il nostro approccio consente una regolazione estremamente delicata della dimensione dei pori - l'intera finestra di regolazione per questa serie di gabbie copre il diametro di un singolo atomo di azoto - e questo si adatta idealmente ad applicazioni come KQS".

L'autore principale, il dott. Ming Liu, ha aggiunto:"Mentre l'approccio sintetico prevede la sintesi organica in più fasi, ogni passaggio procede con una resa prossima al 100% e non vi è alcuna purificazione intermedia, quindi c'è un buon potenziale per scalare questi materiali."

Gli studi strutturali eseguiti presso la Diamond Light Source del Regno Unito e l'Advanced Light Source in California hanno permesso al team di Liverpool di sviluppare un sito selettivo, reazione allo stato solido, che ha permesso di regolare delicatamente la dimensione dei pori delle gabbie organiche porose. Questi studi hanno anche permesso al team di progettare e comprendere la struttura del loro materiale più performante, che combinavano gabbie a pori piccoli ea pori grandi. Il coautore Dr. Marc Little ha aggiunto:"I dati raccolti in queste strutture leader a livello mondiale hanno sostenuto i nostri principali risultati strutturali e sono stati parte integrante di questo studio".

La comprensione meccanicistica delle prestazioni superiori di questi materiali è stata supportata da uno sforzo computazionale congiunto, guidato dal Dr. Linjiang Chen del Leverhulme Research Center for Functional Materials Design nella Materials Innovation Factory, coinvolgendo anche gruppi teorici della Xi'an Jiaotong–Liverpool University (Cina) e dell'École Polytechnique Fédérale de Lausanne (Svizzera).

Sebbene il materiale riportato abbia prestazioni eccellenti per separare il deuterio dall'idrogeno, la temperatura di esercizio ideale è bassa (30 K). Il gruppo sta ora lavorando alla progettazione di un nuovo materiale in grado di separare gli isotopi di idrogeno a temperature più elevate.

La carta, "Gabbie organiche appena porose per la separazione degli isotopi dell'idrogeno, " è pubblicato in Scienza .