Sbloccare il potere dei cristalli molecolari: Una possibile soluzione per i rifiuti nucleari

19 luglio 2023

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di Rashda Khan, University of Houston

In un mondo sempre più preoccupato delle implicazioni ambientali e geopolitiche dell'uso dei combustibili fossili, l'energia nucleare è tornata ad essere un argomento di grande interesse. La sua capacità di generare elettricità su larga scala senza emissioni di gas serra promette di essere una fonte di energia pulita sostenibile che potrebbe facilitare la transizione della società verso un futuro a zero emissioni. Tuttavia, la generazione di energia nucleare produce scorie radioattive. La gestione sicura dei rifiuti nucleari rimane una sfida cruciale che deve essere affrontata per ottenere la fiducia pubblica in questa soluzione di energia trasformativa. 

Ora, un team di ricercatori dell'Università di Houston ha trovato una soluzione innovativa per la gestione dei rifiuti nucleari: cristalli molecolari basati su ciclo tetra benzilidene. Questi cristalli, che si basano su una scoperta fatta dal team nel 2015, sono in grado di catturare lo iodio, uno dei più comuni prodotti di fissione radioattivi, in soluzioni acquose e organiche, e all'interfaccia tra le due fasi.

'Questo ultimo punto è particolarmente rilevante perché la cattura dello iodio sulle interfacce potrebbe impedire allo iodio di raggiungere e danneggiare i rivestimenti specializzati utilizzati nei reattori nucleari e nei contenitori di stoccaggio dei rifiuti', ha detto Ognjen Miljanic, professore di chimica e autore corrispondente dell'articolo che illustra questa importante scoperta nella rivista Cell Reports Physical Science.

Questi cristalli mostrano una straordinaria capacità di assorbimento dello iodio, paragonabile a quella dei framework metal-organici porosi (MOF) e dei framework organici covalenti (COF), precedentemente considerati i materiali di cattura dello iodio più avanzati.

Alexandra Robles, autrice principale dello studio e una ex dottoranda che ha basato la sua tesi su questa ricerca, stava lavorando con i cristalli nel laboratorio di Miljanic quando ha fatto questa scoperta. Il suo interesse nel trovare una soluzione per i rifiuti nucleari ha spinto Robles a studiare l'utilizzo dei cristalli per catturare lo iodio.

'È riuscita a catturare lo iodio sull'interfaccia tra le fasi organiche e acquose, che è un fenomeno poco studiato', ha detto Miljanic, che ha aggiunto che questa caratteristica eccezionale fornisce un vantaggio cruciale. 'Quando il materiale viene depositato tra la fase organica e quella acquosa, esso essenzialmente blocca il trasferimento di iodio da una fase all'altra'.

Questo processo non solo preserva l'integrità dei rivestimenti dei reattori e migliora il contenimento, ma lo iodio catturato può anche essere spostato da un'area all'altra. 'L'idea qui è catturarlo in un luogo dove è difficile gestirlo, e poi rilasciarlo in un luogo dove è facile gestirlo', ha detto Miljanic.

Un altro vantaggio di questa tecnologia di cattura e rilascio è che i cristalli possono essere riutilizzati. 'Se l'inquinante si attacca solo al reagente, l'intero sistema deve essere gettato via', ha detto. 'E questo aumenta gli sprechi e le perdite economiche'.

Ovviamente, tutti questi grandi potenziali devono ancora essere testati in applicazioni pratiche, e questo ha fatto pensare ai prossimi passi a Miljanic.

Il team di Miljanic crea queste piccole molecole organiche contenenti solo atomi di carbonio, idrogeno e ossigeno utilizzando sostanze chimiche disponibili sul mercato.

Ogni cristallo è una struttura a forma di anello con otto pezzi lineari che si irradiano da esso, il che ha portato il team di ricerca a soprannominarlo 'L'Octopus'.

'Sono abbastanza facili da produrre e possono essere realizzati su larga scala con materiali relativamente economici senza la necessità di una particolare atmosfera protettiva', ha detto Miljanic.

Ha stimato che attualmente può produrre questi cristalli al costo di circa 1 dollaro per grammo in un laboratorio accademico. In un contesto industriale, Miljanic ritiene che il costo diminuirebbe significativamente.

Questi piccoli e affamati cristalli sono molto versatili e possono catturare oltre allo iodio. Miljanic e il suo team ne hanno utilizzati alcuni per catturare diossido di carbonio, il che sarebbe un altro grande passo verso un mondo più pulito e sostenibile. Inoltre, le molecole di 'The Octopus' sono strettamente correlate a quelle presenti nei materiali utilizzati per produrre batterie al litio, aprendo la porta ad altre opportunità energetiche.

'Si tratta di un tipo di molecola semplice che può fare tutte le cose diverse a seconda di come viene integrata con il resto di un determinato sistema', ha detto Miljanic. 'Quindi, stiamo perseguendo tutte queste applicazioni'

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