Material trennt Wasser von ... Wasser

Ein Flipping-Effekt in einem porösen Material erleichtert den Durchfluss von normalem Wasser, um es von schwerem Wasser zu trennen

11.11.2022 - Japan

Eine Forschergruppe unter der Leitung von Susumu Kitagawa vom Institute for Cell-Material Sciences (iCeMS) der Universität Kyoto (Japan) und Cheng Gu von der South China University of Technology (China) hat ein Material entwickelt, mit dem sich schweres Wasser bei Raumtemperatur effektiv von normalem Wasser trennen lässt. Bisher war dieser Prozess sehr schwierig und energieintensiv. Die Ergebnisse haben Auswirkungen auf industrielle - und sogar biologische - Prozesse, bei denen verschiedene Formen desselben Moleküls verwendet werden. Die Wissenschaftler berichteten über ihre Ergebnisse in der Zeitschrift Nature.

Isotopologe sind Moleküle, die dieselbe chemische Formel haben und deren Atome in ähnlichen Anordnungen gebunden sind, aber mindestens eines ihrer Atome hat eine andere Anzahl von Neutronen als das Ausgangsmolekül. Ein Beispiel: Ein Wassermolekül (_H2O) besteht aus einem Sauerstoff- und zwei Wasserstoffatomen. Die Kerne der Wasserstoffatome enthalten jeweils ein Proton und keine Neutronen. In schwerem Wasser (_D2O) hingegen sind die Deuteriumatome (D) Wasserstoffisotope mit Kernen, die ein Proton und ein Neutron enthalten. Schweres Wasser findet Anwendung in Kernreaktoren, in der medizinischen Bildgebung und bei biologischen Untersuchungen.

"Die Wasserisotopologe gehören zu den am schwierigsten zu trennenden, weil ihre Eigenschaften so ähnlich sind", erklärt der Materialwissenschaftler Cheng Gu. "Mit unserer Arbeit haben wir einen noch nie dagewesenen Mechanismus zur Trennung von Wasserisotopologen mit Hilfe einer Adsorptions-Trennmethode entwickelt."

Gu und der Chemiker Susumu Kitagawa haben zusammen mit Kollegen ihre Trenntechnik auf einem porösen Koordinationspolymer (PCP) auf Kupferbasis aufgebaut. PCPs sind poröse kristalline Materialien, die aus Metallknoten bestehen, die durch organische Linker verbunden sind. Das Team testete zwei PCPs, die mit verschiedenen Arten von Linkern hergestellt wurden.

Was ihre PCPs für die Isotopologentrennung besonders wichtig macht, ist, dass die Linker bei mäßiger Erwärmung umklappen. Dieses Umklappen wirkt wie ein Tor, das es den Molekülen ermöglicht, von einem "Käfig" im PCP in einen anderen zu gelangen. Die Bewegung wird blockiert, wenn das Material abgekühlt wird.

Als die Wissenschaftler ihre "dynamischen Flip-Flop-Kristalle" Dampf aussetzten, der eine Mischung aus normalem, schwerem und halbschwerem Wasser enthielt, und diesen dann leicht erwärmten, adsorbierten sie normales Wasser viel schneller als die beiden anderen Isotopologe. Entscheidend ist, dass dieser Prozess innerhalb des Raumtemperaturbereichs stattfand.

"Die adsorptive Trennung der Wasserisotopologe in unserer Arbeit ist herkömmlichen Methoden aufgrund der sehr hohen Selektivität bei Raumtemperatur deutlich überlegen", sagt Kitagawa. "Wir sind optimistisch, dass neue Materialien, die sich an unserer Arbeit orientieren, entwickelt werden, um andere Isotopologe zu trennen."

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