Материал CC3 может быть полезен при удалении нежелательных или опасных радиоактивных элементов из ядерного топлива или воздуха в зданиях, а также при переработке полезных элементов из ядерного топливного цикла. CC3 гораздо более избирательно улавливает эти газы по сравнению с другими экспериментальными материалами. Кроме того, по мнению авторов, CC3, вероятно, будет использовать меньше энергии для восстановления элементов, чем традиционные методы обработки.Команда, состоящая из ученых из Ливерпульского университета в Великобритании, Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики, Университета Ньюкасла в Великобритании и Университета Экс-Марселя во Франции, провела моделирование и лабораторные эксперименты, чтобы определить, как и насколько хорошо — CC3 может отделять эти газы от выхлопных газов или отходов.
«Ксенон, криптон и радон — благородные газы, которые химически инертны. Это затрудняет поиск материалов, которые могут улавливать их», — сказал соавтор Правин Таллапалли из PNNL. «Поэтому мы были приятно удивлены тем, насколько легко CC3 удалил их из газового потока».Благородные газы редко встречаются в атмосфере, но некоторые из них, например радон, находятся в радиоактивных формах и могут способствовать развитию рака.
Другие, такие как ксенон, являются полезными промышленными газами в коммерческом освещении, медицинской визуализации и анестезии.Обычный способ удаления ксенона из воздуха или его извлечения из ядерного топлива включает охлаждение воздуха далеко внизу, где замерзает вода.
Такое криогенное разделение энергоемко и дорого. Исследователи изучали материалы, называемые металлоорганическими каркасами, также известные как MOF, которые потенциально могут улавливать ксенон и криптон без использования криогеники. Хотя ведущие MOF могут превосходно удалять ксенон при очень низких концентрациях и при температуре окружающей среды, исследователи хотели найти материал, который работал бы лучше.
Сотрудник Thallapally Эндрю Купер из Ливерпульского университета и другие исследовали материалы, называемые пористыми органическими клетками, молекулярные структуры которых состоят из повторяющихся единиц, образующих трехмерные клетки. Клетки, построенные из молекулы CC3, имеют правильный размер, чтобы вместить около трех атомов ксенона, криптона или радона.Чтобы проверить, может ли CC3 быть здесь полезным, команда смоделировала на компьютере взаимодействие CC3 с атомами ксенона и других благородных газов. Молекулярная структура CC3 естественным образом расширяется и сжимается.
Исследователи обнаружили, что это дыхание создало дыру в клетке, которая увеличилась до 4,5 ангстрем в ширину и уменьшилась до 3,6 ангстрем. Один атом ксенона имеет ширину 4,1 ангстрем, что позволяет предположить, что он может уместиться в окне, если клетка будет открываться достаточно долго. (Криптон и радон имеют ширину 3,69 ангстрем и 4,17 ангстрем соответственно, а для покрытия миллиметра требуется 10 миллионов ангстрем.)Компьютерное моделирование показало, что CC3 открывает окна, достаточно большие для ксенона, примерно в 7% случаев, но этого достаточно для того, чтобы ксенон запрыгнул внутрь.
Кроме того, ксенон имеет более высокую вероятность «прыгнуть внутрь», чем «выпрыгнуть», по существу, улавливая благородный газ. внутри.Затем команда проверила, насколько хорошо CC3 может извлекать из воздуха низкие концентрации ксенона и криптона, смеси газов, в которую входят кислород, аргон, диоксид углерода и азот.
При концентрации ксенона 400 частей на миллион и криптона 40 частей на миллион исследователи пропустили смесь через образец CC3 и измерили, сколько времени требуется, чтобы газы вышли на другую сторону.Кислород, азот, аргон и углекислый газ — обильные компоненты воздуха — прошли через CC3 и продолжали измеряться в течение всего 45-минутного периода эксперимента. Ксенон, однако, оставался внутри CC3 в течение 15 минут, показывая, что CC3 может отделять ксенон от воздуха.Кроме того, CC3 улавливает вдвое больше ксенона, чем ведущий материал MOF.
Он также улавливал ксенон в 20 раз чаще, чем криптон, что называется селективностью. Ведущие MOF предпочли ксенон только в 7 раз больше. Эти эксперименты показали улучшенные характеристики по двум важным характеристикам такого материала: емкости и селективности.
«Мы знаем, что CC3 делает это, но мы не уверены, почему. Как только мы поймем, почему CC3 так легко улавливает благородные газы, мы сможем улучшить это», — сказал Таллапалли.
Чтобы выяснить, имеют ли MOF и пористые органические клетки экономические преимущества, исследователи оценили стоимость по сравнению с криогенным разделением и определили, что они, вероятно, будут дешевле.«Поскольку эти материалы хорошо функционируют при температуре окружающей среды или близкой к температуре окружающей среды, процессы, основанные на них, менее энергоемки в использовании», — сказал Денис Страчан из PNNL.
Материал также может найти применение в фармацевтике. Большинство молекул имеют правостороннюю и левостороннюю формы, и часто у людей работает только одна форма. В дополнительных экспериментах Купер и его коллеги из Великобритании протестировали способность CC3 различать и разделять левую и правую версии алкоголя.
Разделив левую и правую формы CC3, команда в биохимических экспериментах показала, что каждая форма избирательно захватывает только одну форму алкоголя.