In un mondo sempre più preoccupato per le implicazioni ambientali e geopolitiche dell’utilizzo dei combustibili fossili, l’energia nucleare è riemersa come argomento di grande interesse. La sua capacità di generare elettricità su larga scala senza emissioni di gas serra è promettente come fonte di energia pulita sostenibile che potrebbe colmare la transizione della società dai combustibili fossili a un futuro a zero emissioni. Tuttavia, la produzione di energia nucleare produce scorie radioattive. La gestione sicura delle scorie nucleari rimane una sfida cruciale che deve essere affrontata per ottenere la fiducia del pubblico in questa soluzione energetica trasformativa.
Ora, un team di ricercatori dell’Università di Houston ha messo a punto una soluzione innovativa per la gestione delle scorie nucleari: cristalli molecolari a base di ciclotetrabenzil idrazoni. Questi cristalli, che si basano su una scoperta rivoluzionaria fatta dal team nel 2015, sono in grado di catturare lo iodio, uno dei più comuni prodotti di fissione radioattiva, in soluzioni acquose e organiche e sull’interfaccia tra i due.
“Quest’ultimo punto è particolarmente saliente perché la cattura dello iodio sulle interfacce potrebbe impedire allo iodio di raggiungere e danneggiare i rivestimenti di vernice specializzati utilizzati nei reattori nucleari e nei recipienti di contenimento dei rifiuti”, ha affermato Ognjen Miljanic, professore di chimica e corrispondente autore dell’articolo che descrive in dettaglio la svolta in Rapporti cellulari Scienze fisiche.
Questi cristalli mostrano un’incredibile capacità di assorbimento dello iodio, che rivaleggia con quella delle strutture porose metallo-organiche (MOF) e delle strutture organiche covalenti (COF), che in precedenza erano considerate l’apice dei materiali di cattura dello iodio.
Alexandra Robles, la prima autrice dello studio ed ex studentessa di dottorato che ha basato la sua tesi su questa ricerca, stava lavorando con i cristalli nel laboratorio di Miljanic quando ha fatto la scoperta. Il suo interesse nel trovare una soluzione per le scorie nucleari ha portato Robles a indagare sull’uso dei cristalli per catturare lo iodio.
“Ha finito per catturare lo iodio sull’interfaccia tra gli strati organici e quelli acquosi, che è un fenomeno poco studiato”, ha detto Miljanic, che ha aggiunto che questa caratteristica eccezionale offre un vantaggio cruciale. “Quando il materiale si deposita tra lo strato organico e quello acquoso, essenzialmente interrompe il trasferimento di iodio da uno strato all’altro”.
Questo processo non solo preserva l’integrità dei rivestimenti del reattore e migliora il contenimento, ma lo iodio catturato potrebbe anche essere spostato da un’area all’altra. “L’idea qui è che lo catturi in un posto dove è difficile da gestire, e poi lo rilasci in un posto dove è facile da gestire”, ha detto Miljanic.
L’altro vantaggio di questa tecnologia catch-and-release è che i cristalli possono essere riutilizzati. “Se l’inquinante si attacca solo al reggente, l’intera faccenda deve essere buttata via”, ha detto. “E questo aumenta gli sprechi e le perdite economiche”.
Naturalmente, tutti questi grandi potenziali devono ancora essere testati in applicazioni pratiche, il che fa pensare a Miljanic ai prossimi passi.
Molecole, cristalli e polpi, oh mio!
Il team di Miljanic crea queste minuscole molecole organiche contenenti solo atomi di carbonio, idrogeno e ossigeno utilizzando sostanze chimiche disponibili in commercio.
Ogni cristallo è una struttura a forma di anello con otto pezzi lineari che emanano da esso, che ha portato il team di ricerca a soprannominarlo “The Octopus”.
“Sono abbastanza facili da realizzare e possono essere prodotti su larga scala da materiali relativamente economici senza alcuna atmosfera protettiva speciale”, ha affermato Miljanic.
Ha stimato che attualmente può produrre questi cristalli al costo di circa $ 1 al grammo in un laboratorio accademico. In un contesto industriale, Miljanic ritiene che il costo diminuirebbe in modo significativo.
Questi piccoli cristalli affamati sono molto versatili e possono catturare più dello iodio. Miljanic e il suo team ne hanno usati alcuni per catturare l’anidride carbonica, che sarebbe un altro grande passo verso un mondo più pulito e sostenibile. Inoltre, le molecole “The Octopus” sono strettamente correlate a quelle che si trovano nei materiali utilizzati per realizzare le batterie agli ioni di litio, il che apre le porte ad altre opportunità energetiche.
“Questo è un tipo di molecola semplice che può fare ogni sorta di cose diverse a seconda di come la integriamo con il resto di un dato sistema”, ha detto Miljanic. “Quindi, stiamo perseguendo anche tutte quelle applicazioni.”
È entusiasta della moltitudine di potenzialità offerte dai cristalli e non vede l’ora di esplorare applicazioni pratiche. Il suo prossimo obiettivo è trovare un partner che aiuti gli scienziati a esplorare diversi aspetti commerciali.
Fino ad allora, i ricercatori stanno pianificando di esplorare ulteriormente la cinetica e i comportamenti delle strutture cristalline per renderle ancora migliori.
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