Desbloqueando el poder de los cristales moleculares: Una posible solución para los desechos nucleares

19 de julio de 2023

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corregido por Rashda Khan, Universidad de Houston

En un mundo cada vez más preocupado por las implicaciones ambientales y geopolíticas del uso de combustibles fósiles, la energía nuclear ha resurgido como un tema de gran interés. Su capacidad para generar electricidad a gran escala sin emisiones de gases de efecto invernadero ofrece la promesa de ser una fuente de energía limpia sostenible que podría ayudar en la transición de la sociedad lejos de los combustibles fósiles hacia un futuro de emisiones netas cero. Sin embargo, la generación de energía nuclear produce desechos radiactivos. El manejo seguro de los desechos nucleares sigue siendo un desafío crucial que debe abordarse para ganar la confianza pública en esta solución de energía transformadora.

Ahora, un equipo de investigadores de la Universidad de Houston ha encontrado una solución innovadora para el manejo de desechos nucleares: cristales moleculares basados en ciclotetrabenzoil hidrazonas. Estos cristales, que se basan en un descubrimiento realizado por el equipo en 2015, son capaces de capturar yodo, uno de los productos de fisión radioactivos más comunes, en soluciones acuosas y orgánicas y en la interfaz entre ambas.

"Este último punto es particularmente relevante porque la captura de yodo en las interfaces podría evitar que el yodo llegue y dañe los recubrimientos de pintura especializados utilizados en los reactores nucleares y los recipientes de contención de desechos", dijo Ognjen Miljanic, profesor de química y autor correspondiente del artículo que detalla el avance en Cell Reports Physical Science.

Estos cristales muestran una capacidad de captura de yodo asombrosa, rivalizando con la de los marcos metalorgánicos porosos (MOFs) y los marcos orgánicos covalentes (COFs), que anteriormente se consideraban el pináculo de los materiales de captura de yodo.

Alexandra Robles, autora principal del estudio y ex estudiante de doctorado que basó su tesis en esta investigación, estaba trabajando con los cristales en el laboratorio de Miljanic cuando hizo el descubrimiento. Su interés en encontrar una solución para los desechos nucleares llevó a Robles a investigar el uso de cristales para capturar yodo.

"Terminó capturando yodo en la interfaz entre las capas orgánicas y acuosas, que es un fenómeno poco estudiado", dijo Miljanic, quien agregó que esta característica excepcional proporciona una ventaja crucial. "Cuando el material se deposita entre la capa orgánica y acuosa, esencialmente detiene la transferencia de yodo de una capa a otra".

Este proceso no solo preserva la integridad de los recubrimientos del reactor y mejora la contención, sino que el yodo capturado también se puede mover de un área a otra. "La idea aquí es capturarlo en un lugar donde sea difícil de manejar y luego liberarlo en un lugar donde sea fácil de manejar", dijo Miljanic.

El otro beneficio de esta tecnología de captura y liberación es que los cristales se pueden reutilizar. "Si el contaminante solo se adhiere al reactivo, todo el material debe desecharse", dijo. "Y eso aumenta los desechos y las pérdidas económicas".

Por supuesto, todas estas grandes posibilidades aún deben ser probadas en aplicaciones prácticas, lo que lleva a Miljanic a pensar en los próximos pasos.

El equipo de Miljanic crea estas pequeñas moléculas orgánicas que contienen solo átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno utilizando productos químicos disponibles comercialmente.

Cada cristal es una estructura en forma de anillo con ocho piezas lineales que emergen de él, lo que ha llevado al equipo de investigación a apodarlo "The Octopus" (El Pulpo).

"Son bastante fáciles de hacer y se pueden producir a gran escala a partir de materiales relativamente baratos sin ninguna atmósfera protectora especial", dijo Miljanic.

Estima que actualmente puede producir estos cristales a un costo de aproximadamente $1 por gramo en un laboratorio académico. En un entorno industrial, Miljanic cree que el costo disminuiría significativamente.

Estos pequeños cristales hambrientos son muy versátiles y pueden capturar más que solo yodo. Miljanic y su equipo los han utilizado para capturar dióxido de carbono, lo que sería otro gran paso hacia un mundo más limpio y sostenible. Además, las moléculas de "The Octopus" están estrechamente relacionadas con las que se encuentran en los materiales utilizados para fabricar baterías de iones de litio, lo que abre la puerta a otras oportunidades energéticas.

"Este es un tipo de molécula simple que puede hacer todo tipo de cosas diferentes dependiendo de cómo lo integremos con el resto de un sistema dado", dijo Miljanic. "Así que también estamos persiguiendo todas esas aplicaciones".

He is excited by the multitude of potential offered by the crystals and looking forward to exploring practical applications. His next goal is to find a partner who will help the scientists explore different commercial aspects.

Until then, the researchers are planning to further explore the kinetics and behaviors of the crystal structures to make them even better.

More information: Alexandra Robles et al, Cyclobenzil hydrazones with high iodine capture capacities in solutions and on interfaces, Cell Reports Physical Science (2023). DOI: 10.1016/j.xcrp.2023.101509