Un nuovo tipo di trappola molecolare su scala nanometrica consente all'industria di immagazzinare grandi quantità di idrogeno in piccole celle a combustibile o di catturare, compattare e rimuovere il gas radioattivo volatile dal combustibile nucleare esaurito in modo conveniente, modo facilmente commercializzabile.

La capacità di regolare la dimensione delle aperture della trappola per selezionare molecole specifiche o per alterare il modo in cui le molecole vengono rilasciate a pressioni accessibili a livello industriale rende la trappola straordinariamente versatile. La trappola è costruita con materiale disponibile in commercio e resa possibile grazie al lavoro collaborativo presso i laboratori nazionali Argonne e Sandia.

"Questo introduce una nuova classe di materiali per la bonifica dei rifiuti nucleari, " disse Tina Nenoff, un chimico dei Laboratori Nazionali Sandia. "Questo design può catturare e trattenere circa cinque volte più iodio rispetto alle attuali tecnologie dei materiali".

Molecole organiche legate insieme a ioni metallici in un reticolo simile a un Tinker Toy su scala molecolare chiamato struttura metallo-organica, o MOF, formare la trappola. Molecole di iodio radioattivo o anidride carbonica o persino idrogeno da utilizzare come combustibile possono entrare attraverso le finestre nella struttura.

Una volta applicata la pressione, queste finestre sono distorte, impedendo alle molecole di uscire. Questo crea una gabbia e un modo per selezionare cosa intrappolare in base alla forma e alle dimensioni della molecola.

La compressione trasforma anche il MOF da una soffice spugna molecolare che occupa molto spazio in un pellet compatto. La capacità di comprimere grandi quantità di gas in piccoli volumi è un passaggio cruciale per lo sviluppo dell'idrogeno come combustibile alternativo per i motori.

Ma cosa rende questo MOF, chiamato ZIF-8, drammaticamente diverso dai progetti creati nell'ultimo decennio è la sua capacità di distorcere le finestre nella struttura e intrappolare grandi volumi di gas a pressioni relativamente basse. ZIF-8 richiede circa il doppio della pressione di un compattatore per auto da discarica, che è circa 10 volte meno pressione di quella necessaria per comprimere altri MOF di zeolite comparabili.

Questo crea un processo rispettoso dell'ambiente che è alla portata dei macchinari industriali esistenti, può essere prodotto su larga scala ed è finanziariamente sostenibile.

Lo ZIF-8 è composto da cationi di zinco e leganti organici a base di imidazolato. La topologia della struttura è analoga alla sodalite, una nota zeolite.

L'uso di altri MOF porosi disponibili è limitato a piccoli lotti perché sono necessarie attrezzature scientifiche specializzate per applicare la grande quantità di pressione necessaria per comprimere in una posizione che manterrà la nuova forma che intrappola il gas. Questo li rende non commercialmente validi.

Chapman e i suoi colleghi dell'Argonne hanno utilizzato i raggi X dell'Advanced Photon Source per perfezionare la tecnica a bassa pressione per trasformare i MOF in densi pellet. La distorsione del quadro molecolare che si verifica durante il processo non riduce significativamente la capacità di stoccaggio del gas.

"Questi MOF hanno applicazioni di vasta portata, "ha detto Karena Chapman, uno scienziato dell'Argonne National Laboratory, che è stata ispirata a esplorare i trattamenti a bassa pressione per i MOF dalle sue esperienze di lavoro con i MOF flessibili per lo stoccaggio dell'idrogeno. Prima di questo lavoro, la maggior parte della ricerca scientifica ad alta pressione, come lo sviluppo di MOF, ha preso spunto dagli studi sulla terra, dove le pressioni estese causano transizioni nei materiali geologici.

Con il processo a pellet elaborato, gli scienziati hanno contattato Nenoff a Sandia per trovare il tipo giusto di molecola per la struttura del MOF per espandere il suo utilizzo dalla cattura di idrogeno e anidride carbonica. Nenoff e il suo team avevano identificato lo ZIF-8 MOF come ideale per separare e intrappolare molecole di iodio radioattivo da un flusso di combustibile nucleare esaurito in base alla dimensione dei pori e all'elevata area superficiale.

Questo segna uno dei primi tentativi di utilizzare i MOF in questo modo. Ciò offre opportunità per ripulire gli incidenti dei reattori nucleari e per il ritrattamento del combustibile. Paesi come Francia, Russia e India recuperano materiali fissili da componenti radioattivi nel combustibile nucleare usato per fornire combustibile fresco per le centrali elettriche. Ciò riduce la quantità di scorie nucleari che devono essere immagazzinate. Lo iodio radioattivo ha un'emivita di 16 milioni di anni.

Il team di ricerca sta continuando a esaminare diverse strutture MOF per aumentare la quantità di stoccaggio di iodio e prevedere meglio come le condizioni ambientali come l'umidità influenzeranno la durata dello stoccaggio.