Il y a cinquante ans, les scientifiques ont découvert ce qu'ils pensaient être le prochain carburant de fusée. Carboranes—molécules composées de bore, les atomes de carbone et d'hydrogène regroupés dans des formes tridimensionnelles étaient considérés comme la base possible des propulseurs de prochaine génération en raison de leur capacité à libérer des quantités massives d'énergie lorsqu'ils sont brûlés.

C'était la technologie qui à l'époque avait le potentiel d'augmenter ou même de surpasser le carburant de fusée à hydrocarbures traditionnel, et a fait l'objet de lourds investissements dans les années 50 et 60.

Mais les choses ne se sont pas déroulées comme prévu.

"Il s'avère que lorsque vous brûlez ces choses, vous formez en fait beaucoup de sédiments, " dit Gabriel Ménard, professeur adjoint au département de chimie et de biochimie de l'UC Santa Barbara. En plus d'autres problèmes rencontrés lors de la combustion de ce qu'on appelle le "carburant zip", " ses résidus ont également gommé les travaux dans les moteurs de fusée, et ainsi le projet a été abandonné.

"Alors ils ont fait ces énormes stocks de ces composés, mais en fait ils ne les ont jamais utilisés, " dit Ménard.

Avance rapide jusqu'à aujourd'hui, et ces composés sont revenus à la mode avec un large éventail d'applications, de la médecine à l'ingénierie à l'échelle nanométrique. Pour Ménard et son collègue professeur de chimie à l'UCSB Trevor Hayton, ainsi que le professeur de chimie de l'Université de Tel Aviv, Roman Dobrovetsky, les carboranes pourraient détenir la clé d'une extraction plus efficace des ions uranium. Et cela, à son tour, pourrait permettre des choses comme un meilleur retraitement des déchets nucléaires et la récupération de l'uranium (et d'autres métaux) à partir de l'eau de mer.

Leurs recherches - le premier exemple d'application de procédés électrochimiques au carborane à l'extraction d'uranium - sont publiées dans un article (lien) paru dans la revue La nature .

La clé de cette technologie est la polyvalence de la molécule de cluster. Selon leurs compositions, ces structures peuvent ressembler à des cages fermées, ou des nids plus ouverts, en raison du contrôle de l'activité redox du composé - sa volonté de donner ou de gagner des électrons. Cela permet la capture et la libération contrôlées d'ions métalliques, qui dans cette étude a été appliqué aux ions uranium.

"La grande avancée ici est cette stratégie de" capture et libération " où vous pouvez basculer entre deux états, où un état lie le métal et un autre état libère le métal, ", a déclaré Hayton.

Procédés conventionnels, comme le populaire procédé PUREX qui extrait le plutonium et l'uranium, dépendent fortement des solvants, extractants et traitement extensif.

"Essentiellement, on pourrait dire que c'est du gaspillage, " dit Ménard. " Dans notre cas, nous pouvons le faire électrochimiquement – ​​nous pouvons capturer et libérer l'uranium en appuyant sur un interrupteur.

"Que se passe-t-il réellement, " ajouta Ménard, "c'est que la cage s'ouvre." Spécifiquement, l'ortho-carborane autrefois fermé devient un nido-carborane ouvert ("nid") capable de capturer l'ion uranium chargé positivement.

Classiquement, la libération contrôlée des ions uranium extraits, cependant, n'est pas aussi simple et peut être quelque peu désordonné. Selon les chercheurs, ces méthodes sont « moins établies et peuvent être difficiles, coûteux et/ou destructeur pour le matériau initial."

Mais ici, les chercheurs ont mis au point un moyen de basculer de manière fiable et efficace entre les carboranes ouverts et fermés, utilisant l'électricité. En appliquant un potentiel électrique à l'aide d'une électrode plongée dans la partie organique d'un système biphasique, les carboranes peuvent recevoir et donner les électrons nécessaires pour ouvrir et fermer et capturer et libérer l'uranium, respectivement.

"En gros, vous pouvez l'ouvrir, capter l'uranium, refermez-le puis libérez de l'uranium, " dit Ménard. Les molécules peuvent être utilisées plusieurs fois, il ajouta.

Cette technologie pourrait être utilisée pour plusieurs applications nécessitant l'extraction d'uranium et par extension, d'autres ions métalliques. Un domaine est le retraitement nucléaire, dans lequel l'uranium et d'autres éléments radioactifs « transuraniens » sont extraits des matières nucléaires usagées en vue de leur stockage et de leur réutilisation (procédé PUREX).

"Le problème est que ces éléments transuraniens sont très radioactifs et nous devons pouvoir les stocker très longtemps car ils sont fondamentalement très dangereux, " a déclaré Ménard. Cette méthode électrochimique pourrait permettre de séparer l'uranium du plutonium, similaire au procédé PUREX, il expliqua. L'uranium extrait pourrait alors être enrichi et réintroduit dans le réacteur; les autres déchets de haute activité peuvent être transmutés pour réduire leur radioactivité.

En outre, le procédé électrochimique pourrait également s'appliquer à l'extraction d'uranium à partir d'eau de mer, ce qui allégerait la pression sur les mines terrestres d'où provient actuellement tout l'uranium.

"Il y a environ mille fois plus d'uranium dissous dans les océans que dans toutes les mines terrestres, " dit Ménard. De même, le lithium - un autre métal précieux qui existe dans de grandes réserves d'eau de mer - pourrait être extrait de cette façon, et les chercheurs prévoient de prendre cette direction de recherche dans un proche avenir.

"Cela nous donne un autre outil dans la boîte à outils pour manipuler les ions métalliques et traiter les déchets nucléaires ou faire la capture des métaux dans les océans, " Hayton a déclaré. "C'est une nouvelle stratégie et une nouvelle méthode pour réaliser ces types de transformations."

Les recherches de cette étude ont également été menées par Megan Keener (auteur principal), Camden Hunt et Timothy G. Carroll à l'UCSB; et par Vladimir Kampel à l'Université de Tel Aviv.