Une nouvelle étude menée par une équipe internationale de chercheurs affiliés à l'UNIST a réussi à développer une nouvelle méthode de séparation du deutérium en utilisant une classe spéciale de structures organométalliques (MOF) dont les dimensions des pores changent lors de l'adsorption de gaz. Cette nouvelle stratégie permet au deutérium de diffuser plus rapidement à travers les pores dilatés des MOF en réponse à l'adsorption d'hydrogène gazeux.

Cette percée provient d'une étude récente dirigée par le professeur Hoi Ri Moon de l'École des sciences naturelles de l'UNIST en collaboration avec le professeur Hyunchul Oh de l'Université nationale des sciences et technologies de Gyeongnam (GNTECH), et le Dr Michael Hirscher de l'Institut Max Planck pour les systèmes intelligents. Publié dans le numéro du 27 novembre du Journal de l'American Chemical Society , l'étude démontre qu'un matériau poreux dynamique peut séparer des mélanges de molécules de taille et de forme similaires qui nécessitent un réglage précis des pores.

Les structures métal-organiques flexibles (MOF) sont une classe unique de matériaux qui présentent des changements dynamiques de l'ouverture des pores déclenchés par des stimuli externes. Dans les MOF flexibles, adsorption et désorption de molécules invitées, changements de température, et même la pression mécanique entraîne l'expansion et la contraction du diamètre des pores, le processus similaire au mécanisme de respiration.

Dans l'étude, l'équipe de recherche a étudié expérimentalement la transition respiratoire dynamique du système MOF flexible MIL-53(Al) pour une séparation efficace des isotopes de l'hydrogène. L'étude est la première tentative d'exploiter la flexibilité structurelle des MOF causée par le phénomène de respiration pour la séparation des isotopes de l'hydrogène.

"Sur des stimuli externes, les MOF flexibles changent leurs dimensions de pores et cela se traduit par un effet, connu sous le nom de respiration où les pores se contractent ou se dilatent en réponse, " dit Jin Yeong Kim, le premier auteur de l'étude. "Avec l'aide de cette stratégie, il est possible d'adsorber et de désorber sélectivement les composants gazeux souhaités."

Dans l'étude, Le professeur Moon et son équipe de recherche ont développé une stratégie pour séparer efficacement les isotopes de l'hydrogène grâce au changement dynamique des pores pendant la respiration du MIL-53(Al). Le MIL-53(Al) est un représentant des MOF flexibles avec une structure en réseau, ressemblant à celui d'un long tube en caoutchouc avec les deux extrémités ouvertes.

A une température cryogénique (-233 °C), pores étroits (0,26 nm, 1 nm =milliardième de mètre) dans le MIL-53 (Al) augmente en pores larges (0,85 nm) lors de l'adsorption d'hydrogène gazeux. L'expansion commence à l'entrée et se propage vers le centre. Ici, le deutérium diffuse beaucoup plus rapidement que l'hydrogène. La diffusion du deutérium se produit plus près du centre où se situent les pores étroits. Par conséquent, seul le deutérium reste dans MIL-35 (Al).

"Il y a un moment où le deutérium peut être mieux détecté lors du changement dynamique de la structure des pores de la structure métal-organique flexible." dit le professeur Moon, l'auteur correspondant de l'article. Elle ajoute, « Si vous saisissez ce moment, le deutérium peut être facilement obtenu avec la plus grande efficacité sans avoir à concevoir et synthétiser un système de séparation complexe."

Les chercheurs ont systématiquement ajusté la structure des pores en modifiant la température d'exposition, pression, et le temps de trouver la structure de pores optimale du MIL-53(Al). Par conséquent, une grande quantité de deutérium (12 mg) pour 1 g de MIL-53 (Al) a pu être séparée. Pour référence, dans l'étude précédente, la quantité de séparation de deutérium n'était que de 5 mg par gramme de matériau poreux.

"Cette étude démontre le potentiel d'une structure métal-organique flexible dans la séparation isotopique de l'hydrogène, " dit le professeur Oh, l'auteur correspondant de l'article. Il ajoute, "Cette recherche fournira de nouvelles idées pour développer un système efficace, présentant à la fois une sélectivité et une capacité de séparation élevées, pour séparer un mélange gazeux d'atomes/molécules de taille et de forme similaires."