Un nuevo tipo de trampa molecular a nanoescala hace posible que la industria almacene grandes cantidades de hidrógeno en pequeñas pilas de combustible o lo capture, compactar y eliminar el gas radiactivo volátil del combustible nuclear gastado de forma asequible forma fácilmente comercializable.

La capacidad de ajustar el tamaño de las aberturas de la trampa para seleccionar moléculas específicas o para alterar cómo se liberan las moléculas a presiones accesibles industrialmente hace que la trampa sea excepcionalmente versátil. La trampa está construida con material disponible comercialmente y es posible gracias al trabajo colaborativo en los laboratorios nacionales de Argonne y Sandia.

"Esto introduce una nueva clase de materiales para la remediación de desechos nucleares, "dijo Tina Nenoff, químico en Sandia National Laboratories. "Este diseño puede capturar y retener aproximadamente cinco veces más yodo que las tecnologías de materiales actuales".

Moléculas orgánicas unidas entre sí con iones metálicos en una red similar a un juguete Tinker a escala molecular llamada marco orgánico metálico, o MOF, formar la trampa. Las moléculas de yodo radiactivo o de dióxido de carbono o incluso de hidrógeno para su uso como combustible pueden entrar a través de las ventanas de la estructura.

Una vez que se aplica presión, estas ventanas están distorsionadas, evitando que las moléculas se vayan. Esto crea una jaula y una forma de seleccionar qué atrapar según la forma y el tamaño de la molécula.

La compresión también convierte el MOF de una esponja molecular esponjosa que ocupa mucho espacio en un gránulo compacto. La capacidad de comprimir grandes cantidades de gas en pequeños volúmenes es un paso crucial para desarrollar gas hidrógeno como combustible alternativo para motores.

Pero, ¿qué hace que este MOF, llamado ZIF-8, dramáticamente diferente de los diseños creados durante la última década es su capacidad para distorsionar las ventanas en el marco y atrapar grandes volúmenes de gas a presiones relativamente bajas. ZIF-8 requiere aproximadamente el doble de presión que un compactador de automóviles de depósito de chatarra, que es aproximadamente 10 veces menos presión que la necesaria para comprimir otras MOF de zeolita comparables.

Esto crea un proceso respetuoso con el medio ambiente que está al alcance de la maquinaria industrial existente, puede producirse a gran escala y es económicamente viable.

El ZIF-8 está compuesto de cationes de zinc y enlazadores orgánicos basados ​​en imidazolato. La topología del marco es análoga a la sodalita, una zeolita conocida.

El uso de otros MOF porosos disponibles se limita a lotes pequeños porque se necesita equipo científico especializado para aplicar la gran cantidad de presión que requieren para comprimir a una posición que mantendrá la nueva forma que atrapa el gas. Esto los hace no viables comercialmente.

Chapman y sus colegas de Argonne utilizaron rayos X de la fuente de fotones avanzada para perfeccionar la técnica de baja presión de convertir los MOF en gránulos densos. La distorsión del marco molecular que se produce durante el proceso no reduce significativamente la capacidad de almacenamiento de gas.

"Estos MOF tienen aplicaciones de amplio alcance, "dijo Karena Chapman, un científico del Laboratorio Nacional Argonne, quien se inspiró para explorar tratamientos de baja presión para MOF por su experiencia trabajando con MOF flexibles para el almacenamiento de hidrógeno. Antes de este trabajo, la mayor parte de la investigación científica de alta presión, como el desarrollo de MOF, siguió el ejemplo de los estudios de la tierra, donde las grandes presiones provocan transiciones en los materiales geológicos.

Con el proceso de pellet resuelto, los científicos recurrieron a Nenoff en Sandia para encontrar el tipo correcto de molécula para la estructura del MOF para expandir su uso a partir de la captura de hidrógeno y dióxido de carbono. Nenoff y su equipo habían identificado el ZIF-8 MOF como ideal para separar y atrapar moléculas de yodo radiactivo de una corriente de combustible nuclear gastado en función de su tamaño de poro y gran superficie.

Este marca uno de los primeros intentos de utilizar MOF de esta manera. Esto presenta oportunidades para la limpieza de accidentes de reactores nucleares y para el reprocesamiento de combustible. Países como Francia, Rusia e India recuperan materiales fisionables de componentes radiactivos en combustible nuclear usado para proporcionar combustible fresco para plantas de energía. Esto reduce la cantidad de desechos nucleares que deben almacenarse. El yodo radiactivo tiene una vida media de 16 millones de años.

El equipo de investigación continúa observando diferentes estructuras de MOF para aumentar la cantidad de almacenamiento de yodo y predecir mejor cómo las condiciones ambientales, como la humedad, afectarán la vida útil del almacenamiento.