Cristales moleculares para la gestión sostenible de desechos nucleares

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 escala sin emisiones de gases de efecto invernadero es prometedora como fuente de energía limpia sostenible que podría salvar la transición de la sociedad de los combustibles fósiles a un futuro de cero emisiones netas. Sin embargo, la generación de energía nuclear produce desechos radiactivos. La gestión segura de los desechos nucleares sigue siendo un desafío crucial que debe abordarse para ganar la confianza del público en esta solución de energía transformadora.

Ahora, un equipo de investigadores de la Universidad de Houston ha ideado una solución innovadora para la gestión de residuos nucleares: cristales moleculares basados ​​en ciclotetrabencil hidrazonas. Estos cristales, que se basan en un descubrimiento innovador realizado por el equipo en 2015, son capaces de capturar yodo, uno de los productos de fisión radiactivos más comunes, en soluciones acuosas y orgánicas, y en la interfaz entre los dos.

“Este último punto es particularmente importante porque la captura de yodo en las interfaces podría evitar que el yodo alcance y dañe los recubrimientos de pintura especializados que se usan 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 . Este trabajo fue financiado por la Fundación Nacional de Ciencias.

Estos cristales exhiben una asombrosa capacidad de absorción de yodo, que rivaliza con la de las estructuras orgánicas de metal porosas (MOF) y las estructuras orgánicas covalentes (COF), que anteriormente se consideraban el pináculo de los materiales de captura de yodo.

Alexandra Robles, la primera autora del estudio y ex estudiante de doctorado que basó su disertación en esta investigación, estaba trabajando con los cristales en el laboratorio de Miljanic cuando hizo el descubrimiento. Su interés por 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 orgánica y de agua, lo cual 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 la acuosa, esencialmente detiene la transferencia de yodo de una capa a otra”.

Este proceso no solo preserva la integridad de los revestimientos del reactor y mejora la contención, sino que el yodo capturado también podría moverse de un área a otra. “La idea aquí es que lo capturas en un lugar donde es difícil de manejar y luego lo liberas en un lugar donde es 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 simplemente se adhiere al regente, todo debe desecharse”, dijo. “Y eso aumenta el desperdicio y la pérdida económica”.

Por supuesto, todos estos grandes potenciales aún deben probarse en aplicaciones prácticas, lo que tiene a Miljanic pensando en los próximos pasos.

Moléculas, cristales y pulpos 

El equipo de Miljanic crea estas diminutas moléculas orgánicas que contienen solo átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno utilizando productos químicos disponibles en el mercado. Cada cristal es una estructura en forma de anillo con ocho piezas lineales que emanan de él, lo que ha llevado al equipo de investigación a apodarlo "El pulpo".

“Son bastante fáciles de fabricar y se pueden producir a gran escala a partir de materiales relativamente económicos sin ninguna atmósfera protectora especial”, dijo Miljanic.

Estimó que actualmente puede producir estos cristales al costo de alrededor de $ 1 por gramo en un laboratorio académico. En un entorno industrial, Miljanic cree que el costo se reduciría significativamente.

Estos pequeños cristales hambrientos son muy versátiles y pueden capturar más que yodo. Miljanic y su equipo han utilizado algunos de ellos para capturar dióxido de carbono, lo que sería otro gran paso hacia un mundo más limpio y sostenible. Además, las moléculas de “El Pulpo" 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 la integremos con el resto de cualquier sistema dado”, dijo Miljanic. “Entonces, también estamos buscando todas esas aplicaciones”.

Está entusiasmado con la multitud de posibilidades que ofrecen los cristales y desea explorar aplicaciones prácticas. Su próximo objetivo es encontrar un socio que ayude a los científicos a explorar diferentes aspectos comerciales.

Hasta entonces, los investigadores planean explorar más a fondo la cinética y el comportamiento de las estructuras cristalinas para mejorarlas aún más.