שיטה חדשנית להפרדת איזוטופים

חוקרים הצליחו לפתח שיטה חדשנית להפרדת דויטריום באמצעות משפחה מיוחדת של חומרים אורגניים שממדי החרירים שבתוכם משתנים בעקבות ספיחת גזים

[מאת ד”ר נחמני משה]

מחקר מעודכן שבוצע על ידי צוות בינלאומי של חוקרים הוביל לפיתוחה של שיטת הפרדה חדשנית לדויטריום (deuterium), זאת באמצעות משפחה מיוחדת של חומרים אורגניים שממדי החרירים שבתוכם משתנים בעקבות ספיחה של גז. השיטה החדשנית מאפשרת לאטומי דויטריום לפעפע החוצה מתוך החרירים של החומר בקצב מהיר יותר מאטומי מימן, זאת בעקבות הספיחה של גז המימן. המחקר, שפורסם זה מכבר בכתב העת המדעי Journal of the American Chemical Society, הדגים כי השינויים הדינמיים בקוטר החרירים יכולים לספק הזדמנות גדולה להפרדתן של תערובות המכילות מולקולות בעלות מבנים או גדלים דומים המחייבים כיוונון מדויק של קוטר החריר.

‘שלדות אורגנו-מתכתיות’ גמישות (Metal-Organic Frameworks, MOFs) שייכות לקבוצה ייחודית של חומרים המציגים שינוי דינמי בקוטר החרירים שבתוכם, זאת בעקבות גירוי חיצוני. בחומרים אלו הספיחה (adsorption) או האִפְרוּשׁ (desorption), השינויים בטמפרטורה ואפילו הלחץ המכאני המופעל עליהם, גורמים להתרחבות או להתכווצות של קוטר החרירים, תהליך הדומה למנגנון הנשימה.

במסגרת מחקר זה, החוקרים בחנו את המנגנון הדינמי של מערכת מסוג MIL-53(Al) לשם הפרדה יעילה של איזוטופים של מימן. המחקר עצמו משך תשומת לב רבה באקדמיה לאור העובדה כי זהו הניסיון הראשון אי פעם לנצל את הגמישות המבנית של שלדות אורגנו-מתכתיות לשם הפרדת איזוטופים של מימן. בעזרת המנגנון הפנימי הזה, ניתן יהיה לספוח ולשחרר באופן בררני את רכיבי הגזים הנדרשים. בתנאים של טמפרטורה קריוגנית (מינוס 233 מעלות צלזיוס), חרירים צרים בקוטר של 0.26 ננומטרים בתוך החומר התרחבו לחרירים בעלי קוטר גדול יותר של 0.85 ננומטרים בתגובה לספיחה של גז מימן. ההתרחבות עצמה מתחילה בנקודת הכניסה ומתקדמת לכיוון הליבה. בליבה, אטומי הדויטריום מפעפעים הרבה יותר מהר מאטומי המימן. הפעפוע של אטומי הדויטריום מתרחש קרוב יותר לליבה שם נמצאים חרירים יותר צרים. כתוצאה מכך, רק אטומי הדויטריום נותרים בתוך המבנה המרחבי. החוקרים שינו באופן שיטתי את מבנה החרירים באמצעות שינוי הטמפרטורות, הלחץ וזמן הספיחה, זאת במטרה למצוא את התנאים המיטביים. בזכות השיטה הזו מתקבלת כמות גדולה של דויטריום (12 מ”ג) לכל 1 גרם של חומר סופח. לשם השוואה, במחקרים קודמים, כמות הדויטריום המופרדת הייתה 5 מ”ג בלבד לכל גרם אחד של חומר סופח.

תקציר המאמר