Deuterium, de zware broer van waterstof, wordt beschouwd als een veelbelovend materiaal voor de toekomst vanwege het brede scala aan toepassingen - in de wetenschap, voor energieopwekking of bij de productie van geneesmiddelen. De extractie van deuterium uit zijn natuurlijke isotopenmengsel is tot dusver echter complex en duur geweest. Met een poreus materiaal ontwikkeld aan de Technische Universität Dresden kan dit binnenkort efficiënter en goedkoper. De nieuwe methode is nu gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Science Advances .

Het ruimteschip Enterprise vloog door de melkweg met deuterium als brandstof. Ook al was dit sciencefiction uit de jaren zestig en zeventig, er wordt nog steeds onderzoek gedaan naar de echte toepassing van de waterstofisotoop voor energieopwekking. De grootste uitdaging hierbij is de winning van de isotoop. Deuterium (chem. afgekort. D, "zware" waterstof) is een van de drie natuurlijke isotopen van waterstof, samen met protium (H, "normale" waterstof) en tritium (T, "superzware" waterstof). Zowel deuterium als protium zijn stabiele isotopen van waterstof. Gewoon water en zwaar water gemaakt van deuterium zijn even stabiel. Tritium (T) is technisch veelbelovend, maar is vanwege zijn radioactiviteit niet zonder veiligheidsproblemen.

Deuterium wordt gewonnen uit zwaar water, d.w.z. water dat deuterium bevat, dat tot 0,15 promille in de natuurlijke watervoorraden van onze aarde zit. Om dit te doen, wordt het zware water eerst geïsoleerd met behulp van chemische en fysische processen en wordt vervolgens deuteriumgas geproduceerd. Deze processen zijn zo complex en energie-intensief dat één gram deuterium duurder is dan een gram goud, ook al is het natuurlijk voorkomen vele malen hoger.

Maar de vraag naar puur deuterium blijft groeien, want door zijn unieke fysische eigenschappen zijn de potentiële toepassingen nog lang niet uitgeput:bij gebruik in medicijnen is al aangetoond dat deuterium een ​​levensverlengend effect heeft, zij het in eerste instantie alleen voor het actieve ingrediënt zelf. Geneesmiddelen die deuterium bevatten, kunnen lager gedoseerd worden, zodat ook hun bijwerkingen worden verminderd. In kernreactoren speelt deuterium een ​​belangrijke rol als moderator. Daarnaast een mengsel van deuterium en tritium of ³ Helium is gepland om te worden gebruikt als brandstof in toekomstige fusiereactoren. Andere toepassingsgebieden zijn onder meer geneeskunde, biowetenschappen, analyse en nieuwe tv-schermen.

In een interdisciplinaire samenwerking hebben de groepen van Prof. Stefan Kaskel en Prof. Thomas Heine van de TU Dresden, samen met Dr. Michael Hirscher van de MPI voor Intelligent Systems Stuttgart, nu een nieuw scheidingsmechanisme voor de waterstofisotopen ontwikkeld op basis van de flexibele metaal-organisch raamwerk "DUT-8" ontwikkeld aan de TU Dresden. "Ons materiaal maakt scheiding van gasvormig deuterium van waterstof mogelijk. Het unieke metaal-organische raamwerk DUT-8 is zeer flexibel en kan de poriegrootte dynamisch aanpassen. Maar deze structurele reactie bleek zeer selectief te zijn:alleen deuterium kan de poriën openen, terwijl waterstof laat het raamwerk gesloten. Deze zeer selectieve herkenning leidt tot een hoge scheidingsselectiviteit in combinatie met een hoge deuteriumopname", legt Stefan Kaskel, hoogleraar anorganische chemie aan de TU Dresden, uit. Met zijn groep is hij gespecialiseerd in nieuwe nanogestructureerde en poreuze functionele materialen voor energieopslag en -conversie en heeft hij al verschillende gepatenteerde materialen ontwikkeld.

Zijn materiaal DUT-8, gepubliceerd in 2012, vertoonde aanvankelijk geen waterstofopname, noch bij hoge druk, noch bij zeer lage temperaturen. "Tijdens onze metingen aan het MPI in Stuttgart hebben we voor het eerst een opening van de structuur van DUT-8 waargenomen onder deuteriumatmosfeer bij zeer lage temperaturen. Vervolgens zijn we er ook in geslaagd om waterstofisotopenmengsels experimenteel te scheiden, waarbij het materiaal als een soort flexibele en daarom uiterst efficiënte 'kwantumzeef'", legt dr. Michael Hirscher uit, die al enkele jaren onderzoek doet naar efficiënte scheidingsmechanismen voor waterstofisotopen bij de MPI for Intelligent Systems.

Eerste-principeberekeningen in combinatie met statistische thermodynamica voorspellen de isotoop-selectieve opening en rationaliseren deze met uitgesproken nucleaire kwantumeffecten. Er zijn echter andere zogenaamde isotopologen (moleculen van dezelfde elementen maar verschillende isotopen) van waterstof, namelijk HD, HT, DT en T₂ , waarmee bij de scheiding rekening moet worden gehouden, en die met T zijn radioactief. In de groep van Thomas Heine, leerstoel Theoretische Chemie aan de TU Dresden, is het gedrag van deze isotopologen gesimuleerd. "In dit gezamenlijke werk zijn we erin geslaagd veiligheidsgerelateerde problematische experimenten met radioactief materiaal te vervangen door gevalideerde computersimulaties en zo voorspellingen te doen voor mogelijke toepassingen van dit isotoopafhankelijke openingseffect van DUT-8", legt professor Heine uit. Zijn simulaties laten zien dat DUT-8 alleen opent voor isotopologen zonder lichte H-isotopen. Voor de ZvH zijn deze voorspellingen al experimenteel bevestigd door de groep van Dr. Hirscher. + Verder verkennen

Te veel deuteriumgehaltes gevonden in botten van zeezoogdieren