Cinquanta anni fa, gli scienziati hanno scoperto quello che pensavano potesse essere il prossimo carburante per missili. Carborani:molecole composte da boro, Gli atomi di carbonio e idrogeno raggruppati insieme in forme tridimensionali erano visti come la possibile base per i propellenti di prossima generazione grazie alla loro capacità di rilasciare enormi quantità di energia quando vengono bruciati.

Era la tecnologia che all'epoca aveva il potenziale per aumentare o addirittura superare il tradizionale carburante per missili a idrocarburi, ed è stata oggetto di ingenti investimenti negli anni Cinquanta e Sessanta.

Ma le cose non sono andate come previsto.

"Si scopre che quando si bruciano queste cose in realtà si formano molti sedimenti, " ha detto Gabriel Menard, un assistente professore nel Dipartimento di Chimica e Biochimica dell'UC Santa Barbara. Oltre ad altri problemi riscontrati durante la combustione di questo cosiddetto "carburante zip, " il suo residuo ha anche intaccato i lavori nei motori a razzo, e così il progetto è stato scartato.

"Così hanno fatto queste enormi scorte di questi composti, ma in realtà non li hanno mai usati, " disse Menard.

Avanti veloce fino ad oggi, e questi composti sono tornati in auge con una vasta gamma di applicazioni, dalla medicina all'ingegneria su scala nanometrica. Per Ménard e il collega professore di chimica dell'UCSB Trevor Hayton, così come il professore di chimica dell'Università di Tel Aviv Roman Dobrovetsky, i carborani potrebbero essere la chiave per una più efficiente estrazione degli ioni di uranio. E quello, a sua volta, potrebbe consentire cose come un migliore ritrattamento delle scorie nucleari e il recupero dell'uranio (e di altri metalli) dall'acqua di mare.

La loro ricerca, il primo esempio di applicazione dei processi elettrochimici del carborano all'estrazione dell'uranio, è pubblicata in un articolo (link) che appare sulla rivista Natura .

La chiave di questa tecnologia è la versatilità della molecola cluster. A seconda della loro composizione queste strutture possono assomigliare a gabbie chiuse, o più nidi aperti, a causa del controllo dell'attività redox del composto, la sua disponibilità a donare o acquisire elettroni. Ciò consente la cattura e il rilascio controllati di ioni metallici, che in questo studio è stato applicato agli ioni di uranio.

"Il grande progresso qui è questa strategia 'catch and release' in cui puoi passare da uno stato all'altro, dove uno stato lega il metallo e un altro stato rilascia il metallo, "Hayton ha detto.

Processi convenzionali, come il popolare processo PUREX che estrae plutonio e uranio, fare molto affidamento sui solventi, estrattivi e lavorazioni estese.

"Fondamentalmente, potresti dire che è uno spreco, " disse Ménard. "Nel nostro caso, possiamo farlo elettrochimicamente:possiamo catturare e rilasciare l'uranio premendo un interruttore.

"Cosa succede davvero, "aggiunse Menard, "è che la gabbia si apre." Nello specifico, l'orto-carborano precedentemente chiuso diventa un nido- ("nido") carborano aperto in grado di catturare lo ione uranio caricato positivamente.

Convenzionalmente, il rilascio controllato di ioni di uranio estratti, però, non è così semplice e può essere un po' disordinato. Secondo i ricercatori, tali metodi sono "meno consolidati e possono essere difficili, costoso e/o distruttivo per il materiale iniziale."

Ma qui, i ricercatori hanno escogitato un modo per alternare in modo affidabile ed efficiente avanti e indietro tra carborani aperti e chiusi, utilizzando l'elettricità. Applicando un potenziale elettrico utilizzando un elettrodo immerso nella porzione organica di un sistema bifasico, i carborani possono ricevere e donare gli elettroni necessari per aprire e chiudere e catturare e rilasciare uranio, rispettivamente.

"Fondamentalmente puoi aprirlo, catturare l'uranio, richiudilo e poi rilascia uranio, " disse Ménard. Le molecole possono essere usate più volte, Ha aggiunto.

Questa tecnologia potrebbe essere utilizzata per diverse applicazioni che richiedono l'estrazione di uranio e, per estensione, altri ioni metallici. Un settore è il ritrattamento nucleare, in cui l'uranio e altri elementi "transuranici" radioattivi vengono estratti dal materiale nucleare esaurito per lo stoccaggio e il riutilizzo (processo PUREX).

"Il problema è che questi elementi trans-uranio sono molto radioattivi e dobbiamo essere in grado di conservarli per molto tempo perché sono fondamentalmente molto pericolosi, " disse Ménard. Questo metodo elettrochimico potrebbe consentire la separazione dell'uranio dal plutonio, simile al processo PUREX, Lui ha spiegato. L'uranio estratto potrebbe poi essere arricchito e reintrodotto nel reattore; le altre scorie ad alta attività possono essere trasmutate per ridurne la radioattività.

Inoltre, il processo elettrochimico potrebbe essere applicato anche all'estrazione dell'uranio dall'acqua di mare, che allenterebbe la pressione sulle miniere terrestri da cui proviene attualmente tutto l'uranio.

"C'è circa mille volte più uranio disciolto negli oceani che in tutte le mine terrestri, " disse Menard. Allo stesso modo, il litio, un altro metallo prezioso che esiste in grandi riserve nell'acqua di mare, potrebbe essere estratto in questo modo, e i ricercatori hanno in programma di intraprendere questa direzione di ricerca nel prossimo futuro.

"Questo ci offre un altro strumento nella cassetta degli attrezzi per manipolare ioni metallici e trattare rifiuti nucleari o catturare metalli dagli oceani, "Ha detto Hayton. "È una nuova strategia e un nuovo metodo per ottenere questo tipo di trasformazioni".

La ricerca in questo studio è stata condotta anche da Megan Keener (autore principale), Camden Hunt e Timothy G. Carroll alla University of California; e da Vladimir Kampel all'Università di Tel Aviv.