L’incorporation de molécules de porte en forme de libellule dans les PCP/MOF rend cent fois plus efficace qu’auparavant la séparation de l’eau de l’eau lourde, qui a été difficile à séparer en raison de leurs propriétés similaires. Crédit : Mindy Takamiya/iCeMS de l’Université de Kyoto
Une action de retournement dans un matériau poreux facilite le passage de l’eau normale pour la séparer de l’eau lourde.
Un groupe de recherche dirigé par Susumu Kitagawa de l’Institut des sciences des matériaux cellulaires (iCeMS) de l’Université de Kyoto, au Japon, et Cheng Gu de l’Université de technologie de Chine du Sud, en Chine, ont fabriqué un matériau capable de séparer efficacement l’eau lourde de l’eau normale à température ambiante. Jusqu’à présent, ce processus était très difficile et énergivore. Les résultats ont des implications pour les processus industriels – et même biologiques – qui impliquent l’utilisation de différentes formes de la même molécule. Les scientifiques ont rapporté leurs résultats dans la revue La nature.
Les isotopologues sont des molécules qui ont la même formule chimique et dont les atomes se lient dans des arrangements similaires, mais au moins un de leurs atomes a un nombre de neutrons différent de celui de la molécule mère. Par exemple, une molécule d’eau (H2O) est formé d’un atome d’oxygène et de deux atomes d’hydrogène. Le noyau de chacun des atomes d’hydrogène contient un proton et aucun neutron. Dans l’eau lourde (D2O), d’autre part, les atomes de deutérium (D) sont des isotopes d’hydrogène avec des noyaux contenant un proton et un neutron. L’eau lourde a des applications dans les réacteurs nucléaires, l’imagerie médicale et les investigations biologiques.
« Les isotopologues de l’eau sont parmi les plus difficiles à séparer car leurs propriétés sont si similaires », explique le scientifique des matériaux Cheng Gu. « Notre travail a fourni un mécanisme sans précédent pour séparer les isotopologues de l’eau en utilisant une méthode de séparation par adsorption. »
Gu et le chimiste Susumu Kitagawa, ainsi que leurs collègues, ont basé leur technique de séparation sur un polymère de coordination poreux à base de cuivre (PCP). Les PCP sont des matériaux cristallins poreux formés de nœuds métalliques reliés par des lieurs organiques. L’équipe a testé deux PCP fabriqués avec différents types de lieurs.
Ce qui rend leurs PCP particulièrement importants pour la séparation des isotopologues, c’est que les lieurs se retournent lorsqu’ils sont modérément chauffés. Cette action de retournement agit comme une porte, permettant aux molécules de passer d’une «cage» dans le PCP à une autre. Le mouvement est bloqué lorsque le matériau est refroidi.
Lorsque les scientifiques ont exposé leurs « cristaux dynamiques flip-flop » à de la vapeur contenant un mélange d’eau normale, lourde et semi-lourde, puis l’ont légèrement réchauffé, ils ont adsorbé l’eau normale beaucoup plus rapidement que les deux autres isotopologues. Fondamentalement, ce processus s’est produit dans des plages de température ambiante.
« La séparation par adsorption des isotopologues de l’eau dans notre travail est nettement supérieure aux méthodes conventionnelles en raison de la très haute sélectivité à température ambiante », déclare Kitagawa. « Nous sommes optimistes que de nouveaux matériaux guidés par nos travaux seront développés pour séparer d’autres isotopologues. »
Référence : « Separating Water Isotopologues Using Diffusion-Regulatory Porous Materials » par Yan Su, Ken-ichi Otake, Jia-Jia Zheng, Satoshi Horike, Susumu Kitagawa et Cheng Gu, 9 novembre 2015 . La nature.
DOI : 10.1038/s41586-022-05310-y
