El deuterio, el hermano pesado del hidrógeno, se considera un material prometedor del futuro debido a su amplia gama de aplicaciones:en la ciencia, para la generación de energía o en la producción de productos farmacéuticos. Sin embargo, la extracción de deuterio a partir de su mezcla natural de isótopos ha sido hasta ahora compleja y costosa. Con un material poroso desarrollado en la Technische Universität Dresden, esto pronto podría hacerse de manera más eficiente y rentable. El nuevo método se ha publicado ahora en la revista científica Science Advances .

La nave estelar Enterprise voló a través de la galaxia usando deuterio como combustible. Aunque esto fuera ciencia ficción de las décadas de 1960 y 1970, la investigación sobre la aplicación real del isótopo de hidrógeno para la generación de energía aún continúa en la actualidad. El principal desafío aquí es la extracción del isótopo. El deuterio (abreviatura química D, hidrógeno "pesado") es uno de los tres isótopos naturales del hidrógeno, junto con el protio (H, hidrógeno "normal") y el tritio (T, hidrógeno "superpesado"). Tanto el deuterio como el protio son isótopos estables de hidrógeno. El agua ordinaria y el agua pesada hecha de deuterio son igualmente estables. El tritio (T) es extremadamente prometedor desde un punto de vista técnico, pero no deja de tener problemas de seguridad debido a su radiactividad.

El deuterio se extrae del agua pesada, es decir, agua que contiene deuterio, que se encuentra en un 0,15 por mil en los recursos hídricos naturales de nuestra tierra. Para ello, primero se aísla el agua pesada mediante procesos químicos y físicos y luego se produce gas deuterio. Estos procesos son tan complejos y consumen tanta energía que un gramo de deuterio es más caro que un gramo de oro, aunque su ocurrencia natural es muchas veces mayor.

Pero la demanda de deuterio puro continúa creciendo, porque sus propiedades físicas únicas significan que sus aplicaciones potenciales están lejos de agotarse:cuando se usa en medicamentos, ya se ha demostrado que el deuterio tiene un efecto de prolongación de la vida, aunque inicialmente solo para el ingrediente activo. sí mismo. Los medicamentos que contienen deuterio se pueden dosificar más bajos, de modo que sus efectos secundarios también se reduzcan. En los reactores nucleares, el deuterio juega un papel importante como moderador. Además, una mezcla de deuterio y tritio o ³ Se planea utilizar helio como combustible en futuros reactores de fusión. Otros campos de aplicación incluyen la medicina, las ciencias de la vida, el análisis y las pantallas de TV novedosas.

En una colaboración interdisciplinaria, los grupos del Prof. Stefan Kaskel y el Prof. Thomas Heine de TU Dresden, junto con el Dr. Michael Hirscher del MPI para Sistemas Inteligentes de Stuttgart, han desarrollado un nuevo mecanismo de separación para los isótopos de hidrógeno basado en el flexible marco metal-orgánico "DUT-8" desarrollado en TU Dresden. "Nuestro material permite la separación del deuterio gaseoso del hidrógeno. El marco orgánico de metal único DUT-8 es muy flexible y puede adaptar dinámicamente el tamaño de sus poros. Pero se encontró que esta respuesta estructural es altamente selectiva:solo el deuterio puede abrir los poros mientras que el hidrógeno deja el marco cerrado. Este reconocimiento altamente selectivo conduce a una alta selectividad de separación combinada con una alta absorción de deuterio ", explica Stefan Kaskel, profesor de Química Inorgánica en TU Dresden. Con su grupo, se especializa en nuevos materiales funcionales porosos y nanoestructurados para el almacenamiento y la conversión de energía y ya ha desarrollado varios materiales patentados.

Su material DUT-8, publicado en 2012, inicialmente no mostró captación de hidrógeno, ni a alta presión ni a muy bajas temperaturas. "Durante nuestras mediciones en el MPI de Stuttgart, observamos por primera vez una apertura de la estructura de DUT-8 bajo una atmósfera de deuterio a temperaturas muy bajas. Posteriormente, también logramos separar experimentalmente mezclas de isótopos de hidrógeno, con el material actuando como una especie de 'tamiz cuántico' flexible y, por lo tanto, extremadamente eficiente", explica el Dr. Michael Hirscher, quien ha estado investigando mecanismos eficientes de separación de isótopos de hidrógeno en el MPI para Sistemas Inteligentes durante varios años.

Los cálculos de primeros principios junto con la termodinámica estadística predicen la apertura selectiva de isótopos y los racionalizan con efectos cuánticos nucleares pronunciados. Sin embargo, existen otros llamados isótopos (moléculas de los mismos elementos pero diferentes isótopos) del hidrógeno, a saber, HD, HT, DT y T₂ , which have to be considered in the separation, and those containing T are radioactive. In the group of Thomas Heine, Chair of Theoretical Chemistry at TU Dresden, the behavior of these isotopologues has been simulated. "In this joint work, we have succeeded in replacing safety-related problematic experiments with radioactive material with validated computer simulations and thus in making predictions for potential applications of this isotope-dependent opening effect of DUT-8," Professor Heine explains. His simulations show that DUT-8 opens only for isotopologues without light H isotopes. For HD, these predictions have already been confirmed experimentally by Dr. Hirscher's group. + Explora más

Excess deuterium levels found in bones of marine mammals