El material separa el agua de ... el agua

Una acción de volteo en un material poroso facilita el paso del agua normal para separarla del agua pesada

11.11.2022 - Japón

Un grupo de investigación dirigido por Susumu Kitagawa, del Instituto de Ciencias de los Materiales Celulares (iCeMS) de la Universidad de Kioto (Japón), y Cheng Gu, de la Universidad Tecnológica del Sur de China (China), ha creado un material capaz de separar eficazmente el agua pesada del agua normal a temperatura ambiente. Hasta ahora, este proceso era muy difícil y requería mucha energía. Los hallazgos tienen implicaciones para los procesos industriales -e incluso biológicos- que implican el uso de diferentes formas de la misma molécula. Los científicos publican sus resultados en la revista Nature.

Los isotopólogos son moléculas que tienen la misma fórmula química y cuyos átomos se unen en disposiciones similares, pero al menos uno de sus átomos tiene un número de neutrones diferente al de la molécula madre. Por ejemplo, una molécula de agua (H2O) está formada por un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno. El núcleo de cada uno de los átomos de hidrógeno contiene un protón y ningún neutrón. En cambio, en el agua pesada (D2O), los átomos de deuterio (D) son isótopos de hidrógeno con núcleos que contienen un protón y un neutrón. El agua pesada tiene aplicaciones en los reactores nucleares, en las imágenes médicas y en las investigaciones biológicas.

"Los isótopos del agua se encuentran entre los más difíciles de separar porque sus propiedades son muy similares", explica el científico de materiales Cheng Gu. "Nuestro trabajo proporcionó un mecanismo sin precedentes para separar los isotopólogos del agua utilizando un método de adsorción-separación".

Gu y el químico Susumu Kitagawa, junto con sus colegas, basaron su técnica de separación en un polímero de coordinación porosa (PCP) basado en el cobre. Los PCP son materiales cristalinos porosos formados por nodos metálicos conectados por enlaces orgánicos. El equipo probó dos PCP fabricados con diferentes tipos de enlazadores.

Lo que hace que sus PCP sean especialmente importantes para la separación de isótopos es que los enlazadores se voltean cuando se calientan moderadamente. Esta acción de giro actúa como una puerta que permite a las moléculas pasar de una "jaula" a otra en el PCP. El movimiento se bloquea cuando el material se enfría.

Cuando los científicos expusieron sus "cristales dinámicos flip-flop" a un vapor que contenía una mezcla de agua normal, pesada y semipesada y luego lo calentaron ligeramente, adsorbieron el agua normal mucho más rápido que los otros dos isotopos. Y lo que es más importante, este proceso se produjo dentro de los límites de la temperatura ambiente.

"La separación por adsorción de los isotopólogos del agua en nuestro trabajo es sustancialmente superior a los métodos convencionales debido a la altísima selectividad a temperatura ambiente", dice Kitagawa. "Somos optimistas y creemos que se desarrollarán nuevos materiales guiados por nuestro trabajo para separar otros isotopólogos".

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