L'énergie nucléaire représente environ 19% de l'approvisionnement en énergie électrique des États-Unis. Les déchets contiennent des matériaux difficiles à éliminer. Les scientifiques ont développé quatre classes de molécules, appelés chélateurs, pour capturer sélectivement des ions spécifiques. Ces molécules utilisent une combinaison de liaison chimique, attractions entre charges opposées, et/ou envelopper les ions dans des poches de liaison complémentaires.

Le recyclage du combustible nucléaire est vital pour une énergie nucléaire durable. Des chélateurs d'ions stratégiquement conçus bénéficieront grandement à la production sûre d'énergie à partir de sources nucléaires. Aussi, les chélateurs contribueront à garantir des stocks sûrs de matériaux clés. Les déchets radioactifs sont riches en ions. Les chélateurs générés dans cette recherche seront utilisés pour séparer sélectivement des ions spécifiques à la demande, permettant un traitement plus efficace et une élimination sûre des déchets. La technologie de base peut également trouver une application dans la purification de l'eau. Plus loin, cela peut aider à collecter d'autres éléments clés, comme le lithium, qui sont la clé d'une indépendance énergétique durable.

Les différentes classes de chélateurs découvertes et développées au cours de cette recherche fondamentale servent d'outils qui agissent, à l'échelle moléculaire, pour capturer et séparer sélectivement des ions spécifiques des mélanges concentrés d'autres ions. L'utilisation de molécules chélatrices pour séparer ces ions s'ajoute aux méthodes traditionnelles de séparation physique. L'une des principales avancées dans ce domaine est le développement d'une technologie d'extraction du césium qui révolutionnera sa séparation lorsqu'elle sera utilisée en 2018 pour le nettoyage des déchets hérités sur le site de Savannah River. En éliminant sélectivement le césium des déchets de sel, les processus de raffinage des déchets nucléaires deviendront beaucoup plus efficaces. D'autres découvertes fondamentales pourraient détenir les clés d'une extraction plus sélective des sels.

Par exemple, dans les solutions aqueuses mixtes, les chélates contenant plusieurs groupes urée peuvent s'enrouler autour du sulfate, un ion extrêmement néfaste pour le retraitement et le stockage des déchets nucléaires. En outre, de nouveaux chélates conçus avec deux sites de liaison différents peuvent être utilisés pour lier à la fois les anions et les ions métalliques. Un mode de réalisation très récent de cette idée est le développement de récepteurs de paires d'ions qui permettent l'extraction sélective des sels de lithium. Le lithium est le composant crucial de nombreuses nouvelles technologies, allant des batteries aux lubrifiants industriels en passant par les médicaments contre la dépression. Une autre découverte clé est la création de chélateurs qui peuvent se replier autour des ions, appelés foldamers.

En utilisant une approche inspirée des protéines de la nature, ces foldamères peuvent collecter des ions à un endroit et les libérer à un autre endroit en utilisant la lumière du soleil comme déclencheur.