Discovery kunne reducere nukleart affald med en forbedret metode til kemisk konstruktion af molekyler

En opdagelse fra Indiana University-forskere kunne fremme langtidsopbevaring af nukleart affald, en stadig mere byrdefuld og omkostningsfuld opgave for de offentlige og private instanser, der beskytter folk mod disse skadelige kemikalier.

I en undersøgelse offentliggjort 14. september, forskerne rapporterer, at de har udviklet et nyt kemisk princip med potentiale til at revolutionere skabelsen af ​​specialkonstruerede molekyler, der udvinder radioaktive grundstoffer fra atomaffald, betydeligt reducere mængden af ​​disse farlige materialer. Metoden er også anvendelig til molekyler skabt til at udvinde kemiske forurenende stoffer fra vand og jord.

"Dette arbejde repræsenterer et stort skridt fremad i bestræbelserne på at konstruere specialdesignede nanostrukturer ved at levere en ny, meget nøjagtig metode til at forudsige, hvordan disse molekyler vil opføre sig i opløsning, " sagde hovedforfatter Amar Flood, en professor i IU Bloomington College of Arts and Sciences' Department of Chemistry.

Forskningen er rapporteret i en forsideartikel i tidsskriftet Chem .

Flood sagde, at undersøgelsen adresserer det faktum, at det er næsten umuligt at forudsige, hvor effektivt et konstrueret molekyle vil fungere i den virkelige verden. Dette skyldes, at kemikere i øjeblikket kun kan designe molekyler til at fungere isoleret, på trods af at molekyler eksisterer i kombination - eller "i opløsning" - med andre molekyler. Saltvand, for eksempel, er en opløsning af salt i vand.

Han sammenlignede situationen med at designe en maskine i det ydre rum og derefter placere den på bunden af ​​havet. Den vandfyldte enhed vil ikke fungere på samme måde som det originale design.

Dette er især alvorligt, fordi at skabe kunstige molekyler til at tjene en bestemt funktion kræver ekstremt præcist design - som at bygge en lås, der passer til en nøgle. For eksempel, et specielt molekyle udviklet af Floods laboratorium, kaldet en cyanostjerne, består af et femsidet stjerneformet gitter af kulstof- og nitrogenatomer med et tomt centrum – "låsen" - hvis specifikke form får negativt ladede molekyler som fosfater og nitrater - "nøglen" - til at fange i midten og knække. væk fra deres tidligere vært. Hvis løsningen fylder op eller fordrejer låsen, nøglen virker muligvis ikke længere.

Strukturer som cyanostaren er også kendt som "receptormolekyler", fordi de er specielt designet til at modtage specifikke molekyler. Ud over at opnå reduktion af nukleart affald, denne teknologi kan bruges til at fjerne chlorid fra vand - en del af processen, der bruges til at omdanne havvand til ferskvand - for at fjerne overskydende kemisk gødning fra jorden, eller for at indsamle lithium-ioner, der bruges i vedvarende energi.

Med de metoder, der er beskrevet i papiret, Flood sagde, kemikere kan begynde at designe nye molekylære reaktioner med det endelige mål for øje. Specifikt, det nye princip konstaterer, at tiltrækningen mellem receptormolekyler og negativt ladede ionmolekyler er baseret på dielektricitetskonstanten for opløsningsmidlet, hvori de er kombineret. En dielektrisk konstant er en måling af et stofs evne til at stabilisere elektrisk ladning.

For at teste deres metode, IU-teamet anvendte deres nyudviklede kemiske princip på triazolophan - et molekyle designet til at udvinde chlorid fra omgivende molekyler - i kombination med kemiske opløsningsmidler, der almindeligvis anvendes i reaktioner for at fjerne uønskede ioner fra andre væsker. I hvert tilfælde, principperne opdaget af Floods gruppe forudsagde nøjagtigt molekylernes effektivitet.

Den primære forsker, der er ansvarlig for metoden, er Yun Liu, en ph.d. elev i Floods laboratorium.

"Det nuværende paradigme virker kun for molekylære designs på tegnebrættet, i teorien, " sagde Liu. "Men vi ønsker at lave molekyler, der vil fungere i praksis for at hjælpe med at løse problemer i den virkelige verden."

Holdet bemærkede også, at evnen til præcist at forudsige, hvordan et molekyle vil fungere i opløsning, vil hjælpe med udviklingen af ​​meget nøjagtige computersimuleringer til hurtigt at teste kemisk konstruerede molekyler designet til at opnå specifikke effekter.