Vijftig jaar geleden, wetenschappers stuitten op wat ze dachten dat de volgende raketbrandstof zou kunnen zijn. Carboranen - moleculen samengesteld uit boor, koolstof- en waterstofatomen geclusterd in driedimensionale vormen - werden gezien als de mogelijke basis voor drijfgassen van de volgende generatie vanwege hun vermogen om enorme hoeveelheden energie vrij te geven bij verbranding.

Het was technologie die destijds het potentieel had om traditionele koolwaterstofraketbrandstof te vergroten of zelfs te overtreffen, en was het onderwerp van zware investeringen in de jaren vijftig en zestig.

Maar de zaken liepen niet zoals verwacht.

"Het blijkt dat wanneer je deze dingen verbrandt, je eigenlijk veel sediment vormt, " zei Gabriël Menard, een assistent-professor in de afdeling Scheikunde en Biochemie van UC Santa Barbara. Naast andere problemen die worden gevonden bij het verbranden van deze zogenaamde "zip-brandstof, " het residu ervan heeft ook de werken in raketmotoren gegomd, en dus werd het project geschrapt.

"Dus maakten ze deze enorme voorraden van deze verbindingen, maar ze hebben ze eigenlijk nooit gebruikt, ' zei Menard.

Snel vooruit naar vandaag, en deze verbindingen zijn weer in zwang geraakt met een breed scala aan toepassingen, van geneeskunde tot engineering op nanoschaal. Voor Ménard en collega UCSB-professor chemie Trevor Hayton, evenals de scheikundeprofessor Roman Dobrovetsky van de Universiteit van Tel Aviv, carboranen zouden de sleutel kunnen zijn tot een efficiëntere extractie van uraniumionen. En dat, beurtelings, zaken als een betere opwerking van nucleair afval en de winning van uranium (en andere metalen) uit zeewater mogelijk kunnen maken.

Hun onderzoek - het eerste voorbeeld van het toepassen van elektrochemische carboraanprocessen op uraniumextractie - is gepubliceerd in een paper (link) die verschijnt in het tijdschrift Natuur .

De sleutel tot deze technologie is de veelzijdigheid van het clustermolecuul. Afhankelijk van hun samenstelling kunnen deze structuren lijken op gesloten kooien, of meer open nesten, vanwege de controle van de redox-activiteit van de verbinding - zijn bereidheid om elektronen te doneren of te winnen. Dit zorgt voor de gecontroleerde opname en afgifte van metaalionen, die in deze studie werd toegepast op uraniumionen.

"De grote vooruitgang hier is deze 'catch and release'-strategie waarbij je kunt schakelen tussen twee toestanden, waar de ene staat het metaal bindt en een andere staat het metaal vrijgeeft, ' zei Hayton.

Conventionele processen, zoals het populaire PUREX-proces dat plutonium en uranium extraheert, sterk afhankelijk zijn van oplosmiddelen, extractiemiddelen en uitgebreide verwerking.

"In principe, je zou kunnen zeggen dat het verspilling is, " zei Ménard. "In ons geval, we kunnen dit elektrochemisch doen - we kunnen het uranium vangen en vrijgeven met een druk op de knop.

"Wat gebeurt er eigenlijk, " voegde Menard eraan toe, "is dat de kooi opengaat." specifiek, het voorheen gesloten ortho-carboraan wordt een geopend nido- ("nest") carboraan dat in staat is het positief geladen uraniumion op te vangen.

conventioneel, de gecontroleerde afgifte van geëxtraheerde uraniumionen, echter, is niet zo eenvoudig en kan wat rommelig zijn. Volgens de onderzoekers is dergelijke methoden zijn "minder ingeburgerd en kunnen moeilijk zijn, duur en of destructief voor het oorspronkelijke materiaal."

Maar hier, de onderzoekers hebben een manier bedacht om betrouwbaar en efficiënt heen en weer te schakelen tussen open en gesloten carboranen, elektriciteit gebruiken. Door een elektrisch potentiaal aan te leggen met behulp van een elektrode die is gedompeld in het organische deel van een bifasisch systeem, de carboranen kunnen de elektronen ontvangen en doneren die nodig zijn om uranium te openen en te sluiten en te vangen en vrij te geven, respectievelijk.

"In principe kun je het openen, uranium vangen, sluit het weer en laat dan uranium vrij, " zei Ménard. De moleculen kunnen meerdere keren worden gebruikt, hij voegde toe.

Deze technologie kan worden gebruikt voor verschillende toepassingen die de winning van uranium vereisen en bij uitbreiding, andere metaalionen. Een gebied is nucleaire opwerking, waarin uranium en andere radioactieve "trans-uranium"-elementen worden gewonnen uit verbruikt nucleair materiaal voor opslag en hergebruik (het PUREX-proces).

"Het probleem is dat deze trans-uraniumelementen erg radioactief zijn en we moeten deze voor een zeer lange tijd kunnen bewaren, omdat ze in principe erg gevaarlijk zijn. "Zei Ménard. Deze elektrochemische methode zou de scheiding van uranium van plutonium mogelijk maken, vergelijkbaar met het PUREX-proces, hij legde uit. Het gewonnen uranium kan dan worden verrijkt en terug in de reactor worden gedaan; het andere hoogradioactieve afval kan worden getransmuteerd om hun radioactiviteit te verminderen.

Aanvullend, het elektrochemische proces zou ook kunnen worden toegepast op de winning van uranium uit zeewater, waardoor de druk op de terrestrische mijnen, waar momenteel al het uranium wordt gewonnen, zou afnemen.

"Er is ongeveer duizend keer meer opgelost uranium in de oceanen dan in alle landmijnen, "Zei Ménard. Evenzo, lithium - een ander waardevol metaal dat in grote reserves in zeewater voorkomt - zou op deze manier kunnen worden gewonnen, en de onderzoekers zijn van plan deze onderzoeksrichting in de nabije toekomst in te slaan.

"Dit geeft ons een ander hulpmiddel in de gereedschapskist voor het manipuleren van metaalionen en het verwerken van nucleair afval of het vangen van metaal uit oceanen, " Hayton zei. "Het is een nieuwe strategie en nieuwe methode om dit soort transformaties te bereiken."

Onderzoek in deze studie werd ook uitgevoerd door Megan Keener (hoofdauteur), Camden Hunt en Timothy G. Carroll bij UCSB; en door Vladimir Kampel aan de Universiteit van Tel Aviv.