Después de que el combustible nuclear usado se extrae de un reactor, emite calor durante décadas y permanece radiactivo durante miles de años. El combustible utilizado es una mezcla de los principales actínidos (uranio, plutonio), productos de fisión (principalmente metales variados, incluyendo lantánidos) y actínidos menores (es decir, americio, curio y neptunio). Después de que los productos de fisión de cesio-137 y estroncio-90 se desintegran en unos pocos cientos de años, los actínidos menores y el plutonio generan la mayor cantidad de calor y radiactividad. Eliminación de actínidos menores, especialmente americio, puede ayudar a los productores de energía nuclear a reducir y gestionar mejor el flujo de residuos.

Un equipo del Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía ha diseñado y sintetizado una trampa molecular selectiva que puede separar el elemento actínido menor americio de una mezcla de americio y los elementos lantánidos. utilizando europio como modelo de lantánido en experimentos. Considerando que el americio recuperado podría quemarse en reactores nucleares, los lantánidos son "venenos de neutrones" y deben desecharse en un depósito geológico para que se descompongan.

"Separar el americio es un gran desafío, ya que los actínidos y los productos de fisión, específicamente lantánidos, tienen propiedades muy similares, "dijo el químico orgánico de ORNL Santa Jansone-Popova, autor principal del estudio, que fue publicado en la revista American Chemical Society Química Inorgánica . "Hemos enfrentado este desafío, el tema de un esfuerzo intensivo en la comunidad científica, con una innovación que mejora drásticamente la eficiencia de la extracción de americio".

"Energía nuclear, para alcanzar un estado de sostenibilidad, requerirá el reciclaje del combustible nuclear usado, "dijo Bruce Moyer, líder del Grupo de Separaciones Químicas de ORNL y autor principal del artículo. Esta hazaña requeriría la separación de actínidos menores. La investigación ORNL identifica un método inventivo para separarlos de manera selectiva y eficiente. Las separaciones mejoradas permitirían una opción cerrada de reciclaje de combustible nuclear, una perspectiva tentadora considerando que Estados Unidos usa solo el 1 por ciento de la energía nuclear potencial del uranio que extrae y actualmente no recicla combustible nuclear.

Diseñar y sintetizar un compuesto orgánico para unir fuertemente americio en presencia de europio requirió un trabajo en equipo que es característico de un laboratorio nacional. Los colaboradores incluyeron a los teóricos Alexander Ivanov y Vyacheslav Bryantsev; químicos orgánicos Jansone-Popova, Ilja Popovs y Madeline Dekarske; el químico de caracterizaciones estructurales Radu Custelcean; y los químicos de separaciones Frederick Sloop y Moyer.

Un compuesto químico (llamado ligando) puede unirse a un átomo de metal. Para una alta selectividad en la unión, el metal y el ligando deben alinearse, ya que una llave debe asumir una cierta orientación antes de que pueda entrar en una cerradura. En 2015, Bryantsev y Ben Hay de ORNL plantearon la hipótesis y demostraron computacionalmente que los ligandos muy rígidos que contienen cuatro átomos donantes de electrones serían ideales para secuestrar átomos de actínidos que son trivalentes (tienen una carga neta positiva de tres).

Cuando los químicos de ORNL se propusieron probar esta idea experimentalmente, inmediatamente encontraron un problema significativo. Estos ligandos nunca se habían informado en la literatura científica; tendrían que diseñarse y sintetizarse desde cero.

Moyer sugirió crear un ligando que estuviera saturado (es decir, contiene enlaces simples) y preorganizados (posiciona los átomos de manera óptima para unir un metal). Los cálculos teóricos de Bryantsev e Ivanov confirmaron que este ligando preorganizado separaría el americio de una mezcla de americio y europio.

El equipo se volvió hacia Jansone-Popova, experto en síntesis total de moléculas complejas, para generar una nueva familia de ligandos. Popovs ayudó a identificar las mejores rutas de síntesis, y Dekarske, un pasante de Agnes Scott College, Hecho de materias primas. Custelcean resolvió las estructuras cristalinas de los productos finales.

Jansone-Popova creó la forma saturada del ligando preorganizado, una amida cíclica que contiene un átomo de nitrógeno y un carbono con doble enlace de oxígeno. Luego, introdujo un doble enlace en ese sistema de anillo de amida para crear una forma cíclica insaturada. En un ligando que no está preorganizado, los grupos químicos llamados piridinas se enfrentan entre sí. La introducción de una base de nitrógeno preorganiza el sistema de modo que las piridinas miran en la misma dirección.

Los ligandos tetradentados ("de cuatro dientes") resultantes contenían átomos que son fuertemente atraídos por iones cargados positivamente y donan electrones. Los ligandos diseñados cuentan con dos átomos de nitrógeno y dos de oxígeno que se coordinan con el metal americio.

En el laboratorio de radioquímica, los experimentos mostraron que los ligandos saturados e insaturados se unen fuertemente al americio y al europio. Sin embargo, sólo el ligando insaturado fue impresionantemente selectivo para el americio.

Los cálculos revelaron que la rigidez del ligando es crucial para la selectividad.

El título del artículo es "Bis-lactam-1, 10-fenantrolina (BLPhen), un nuevo tipo de N mixto preorganizado, Ligando O-Donor que separa Am (III) sobre Eu (III) con una eficiencia excepcionalmente alta ".