Después de su descubrimiento hace 25 años, las estructuras metal-orgánicas (MOF) ganaron rápidamente el aura de un "material milagroso" debido a sus propiedades particulares:sus grandes superficies internas y tamaños de poros ajustables facilitan aplicaciones mejoradas, por ejemplo, en separación de materiales y gas. almacenamiento.

Mientras que los representantes anteriores se basaban principalmente en metales de transición como el cobre y el zinc, un equipo del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ha explorado partes más exóticas de la tabla periódica:investigaron compuestos análogos con actínidos como componente inorgánico. De esta forma, están ayudando, entre otras cosas, a promover la eliminación segura de materiales radiactivos.

Los científicos de Rossendorf han sentado así las bases para estructuras que pueden albergar una serie de iones metálicos actínidos como componente principal, a saber, torio y uranio, así como los transuránicos neptunio y plutonio.

"La mayoría de estos elementos en la última fila de la tabla periódica son artificiales. Son el producto del bombardeo de neutrones o un subproducto en un reactor nuclear. En ellos, los humanos han creado sustancias extremadamente peligrosas porque todos son radiactivos y, en algunos casos, altamente tóxicos", explica el Dr. Moritz Schmidt del Instituto de Ecología de Recursos de HZDR.

"Esto también significa que todo nuestro trabajo experimental debe realizarse con medidas de seguridad especiales. Nuestro caballo de batalla es la química de coordinación o, en otras palabras, la creación de complejos metálicos con moléculas predominantemente orgánicas", dice la Dra. Juliane März, ampliando los antecedentes. en las actividades del equipo.

Dentro de la química de coordinación, los marcos organometálicos son un campo relativamente joven. Los sólidos altamente porosos están compuestos de metales o grupos de metal-oxígeno que están conectados de forma modular por pilares de productos químicos orgánicos, creando redes de cavidades flexibles que recuerdan a los poros de una esponja de cocina.

Inicialmente, la investigación se centró en los metales de transición. "Las buenas perspectivas para nuevas aplicaciones pronto nos llevaron a observar elementos con capas de electrones complejas, en primer lugar, los metales de tierras raras y, finalmente, también los actínidos. Pero, hasta el momento, casi nada se sabe acerca de los elementos transuránicos que no ocurren naturalmente. , como el neptunio y el plutonio", dice März, esbozando la cronología.

Andamios de alta simetría a partir de bloques de construcción moleculares:aplicaciones personalizadas

Como pilar orgánico utilizaron antraceno modificado químicamente, un ejemplo destacado de hidrocarburos aromáticos policíclicos. "Sabemos que el antraceno cristalino es el mejor centelleador orgánico:cuando la radiación rica en energía atraviesa esta sustancia, excita sus moléculas mediante procesos de colisión. La energía de excitación se emite en forma de luz azul. Por eso, nuestros marcos también son luminosos". informa Schmidt. Y exhiben otra propiedad especial:el ancho de su banda prohibida, que es una medida de la diferencia energética entre la banda de valencia y la banda de conducción.

"In the case of semiconductors at very low temperatures only the valence band has charge carriers; in this state it is non-conducting. When energy is applied, they move to the conduction band and thus trigger a flow of current. Measurements show that our new material is one of the so-called broadband semiconductors which play a role especially in power electronics and sensor technology. So, it might be usable as a detector for ionizing radiation—and the actinides we have built in deliver a constant internal radiation reference at the same time," Schmidt says.

Early investigations into MOFs by research groups worldwide synthesized representatives that exhibited ever larger inner surfaces and have therefore become alternatives to activated carbon and zeolites, for example in materials separation or catalytic processes. Their advantage is that their modular structure means that diverse network topologies can be implemented; moreover, the pore size can be very finely tuned by selecting an appropriate pillar for the intended application such as efficient adsorbents for a very specific chemical.

März and Schmidt have taken this a step further, adding a new facet with their work. They have identified applications in a field in which HZDR's Institute of Resource Ecology conducts research:the safe disposal of radioactive material. The researchers are thus considering the development of a tailored waste matrix that immobilizes actinides in the scaffold and fission products in its pores.

The research is published in Journal of the American Chemical Society and based on earlier work published in Coordination Chemistry Reviews . + Explora más

Going beyond Mother Nature's molecules to target radioactive metals