Fleksibel kvantesigte filtrerer brændstoffet fra rumskib Enterprise

Deuterium, brints tunge bror, betragtes som et lovende materiale for fremtiden på grund af dets brede vifte af anvendelser - i videnskaben, til energiproduktion eller i produktionen af ​​lægemidler. Udvindingen af ​​deuterium fra dens naturlige isotopblanding har dog hidtil været kompleks og dyr. Med et porøst materiale udviklet på Technische Universität Dresden kunne dette snart gøres mere effektivt og omkostningseffektivt. Den nye metode er nu publiceret i det videnskabelige tidsskrift Science Advances .

Rumskibet Enterprise fløj gennem galaksen ved at bruge deuterium som brændstof. Selvom dette var science fiction fra 1960'erne og 70'erne, foregår forskning i den reelle anvendelse af brintisotopen til energiproduktion stadig i dag. Den største udfordring her er udvindingen af ​​isotopen. Deuterium (kemisk forkortelse D, "tungt" brint) er en af ​​de tre naturlige isotoper af brint, sammen med protium (H, "normalt" brint) og tritium (T, "supertungt" brint). Både deuterium og protium er stabile isotoper af brint. Almindelig vand og tungt vand fremstillet af deuterium er tilsvarende stabile. Tritium (T) er yderst lovende ud fra et teknisk synspunkt, men er ikke uden sikkerhedsproblemer på grund af dets radioaktivitet.

Deuterium udvindes fra tungt vand, det vil sige vand indeholdende deuterium, som er indeholdt til 0,15 promille i vores jords naturlige vandressourcer. For at gøre dette isoleres tungtvandet først ved hjælp af kemiske og fysiske processer og derefter produceres deuteriumgas. Disse processer er så komplekse og energikrævende, at et gram deuterium er dyrere end et gram guld, selvom dets naturlige forekomst er mange gange højere.

Men efterspørgslen efter rent deuterium fortsætter med at vokse, fordi dets unikke fysiske egenskaber betyder, at dets potentielle anvendelsesmuligheder langt fra er udtømte:Når det bruges i medicin, har deuterium allerede vist sig at have en livsforlængende effekt, omend i første omgang kun for den aktive ingrediens sig selv. Lægemidler indeholdende deuterium kan doseres lavere, så deres bivirkninger også reduceres. I atomreaktorer spiller deuterium en vigtig rolle som moderator. Derudover en blanding af deuterium og tritium eller ³ Helium er planlagt til at blive brugt som brændsel i fremtidige fusionsreaktorer. Andre anvendelsesområder omfatter medicin, biovidenskab, analyse og nye tv-skærme.

I et tværfagligt samarbejde har grupperne af prof. Stefan Kaskel og prof. Thomas Heine fra TU Dresden sammen med dr. Michael Hirscher fra MPI for Intelligente Systems Stuttgart nu udviklet en ny adskillelsesmekanisme for brintisotoperne baseret på den fleksible metal-organisk ramme "DUT-8" udviklet på TU Dresden. "Vores materiale muliggør adskillelse af gasformigt deuterium fra brint. Den unikke metal-organiske ramme DUT-8 er meget fleksibel og kan dynamisk tilpasse sin porestørrelse. Men denne strukturelle reaktion viste sig at være meget selektiv:Kun deuterium kan åbne porerne, mens brint efterlader rammerne lukkede. Denne meget selektive anerkendelse fører til en høj separationsselektivitet kombineret med høj deuteriumoptagelse," forklarer Stefan Kaskel, professor i uorganisk kemi ved TU Dresden. Sammen med sin gruppe har han specialiseret sig i nye nanostrukturerede og porøse funktionelle materialer til energilagring og omdannelse og har allerede udviklet adskillige patenterede materialer.

Hans materiale DUT-8, udgivet i 2012, viste i første omgang ingen brintoptagelse, hverken ved højt tryk eller ved meget lave temperaturer. "Under vores målinger ved MPI i Stuttgart observerede vi for første gang en åbning af strukturen af ​​DUT-8 under deuteriumatmosfære ved meget lave temperaturer. Efterfølgende lykkedes det os også eksperimentelt at adskille hydrogenisotopblandinger, hvor materialet fungerede som en slags fleksibel og derfor ekstremt effektiv 'kvantesigte'," forklarer Dr. Michael Hirscher, der i flere år har forsket i effektive separationsmekanismer for brintisotoper ved MPI for Intelligente Systems.

Første-principper-beregninger i forbindelse med statistisk termodynamik forudsiger den isotop-selektive åbning og rationaliserer dem med udtalte nukleare kvanteeffekter. Der findes dog andre såkaldte isotopologer (molekyler af de samme grundstoffer, men forskellige isotoper) af brint, nemlig HD, HT, DT og T₂ , som skal tages i betragtning ved adskillelsen, og dem, der indeholder T, er radioaktive. I gruppen af ​​Thomas Heine, formand for teoretisk kemi ved TU Dresden, er adfærden af ​​disse isotopologer blevet simuleret. "I dette fælles arbejde er det lykkedes at erstatte sikkerhedsrelaterede problematiske eksperimenter med radioaktivt materiale med validerede computersimuleringer og dermed at lave forudsigelser for potentielle anvendelser af denne isotopafhængige åbningseffekt af DUT-8," forklarer professor Heine. Hans simuleringer viser, at DUT-8 kun åbner for isotopologer uden lette H-isotoper. For HS er disse forudsigelser allerede blevet bekræftet eksperimentelt af Dr. Hirschers gruppe. + Udforsk yderligere

Overskydende deuteriumniveauer fundet i knogler fra havpattedyr