Le deutérium, le frère lourd de l'hydrogène, est considéré comme un matériau prometteur pour l'avenir en raison de son large éventail d'applications, en science, pour la production d'énergie ou dans la production de produits pharmaceutiques. Cependant, l'extraction du deutérium à partir de son mélange d'isotopes naturels a jusqu'à présent été complexe et coûteuse. Avec un matériau poreux développé à la Technische Universität Dresden, cela pourrait bientôt être fait de manière plus efficace et plus rentable. La nouvelle méthode vient d'être publiée dans la revue scientifique Science Advances .

Le vaisseau spatial Enterprise a survolé la galaxie en utilisant du deutérium comme carburant. Même s'il s'agissait de science-fiction des années 60 et 70, la recherche sur l'application réelle de l'isotope de l'hydrogène pour la production d'énergie se poursuit encore aujourd'hui. Le principal défi ici est l'extraction de l'isotope. Le deutérium (abréviation chimique D, hydrogène "lourd") est l'un des trois isotopes naturels de l'hydrogène, avec le protium (H, hydrogène "normal") et le tritium (T, hydrogène "superlourd"). Le deutérium et le protium sont des isotopes stables de l'hydrogène. L'eau ordinaire et l'eau lourde fabriquée à partir de deutérium sont également stables. Le tritium (T) est extrêmement prometteur d'un point de vue technique, mais n'est pas sans soucis de sécurité en raison de sa radioactivité.

Le deutérium est extrait de l'eau lourde, c'est-à-dire de l'eau contenant du deutérium, qui est contenu à 0,15 pour mille dans les ressources naturelles en eau de notre terre. Pour ce faire, l'eau lourde est d'abord isolée par des procédés chimiques et physiques, puis du gaz de deutérium est produit. Ces processus sont si complexes et énergivores qu'un gramme de deutérium coûte plus cher qu'un gramme d'or, même si sa présence naturelle est plusieurs fois plus élevée.

Mais la demande de deutérium pur ne cesse de croître, car ses propriétés physiques uniques signifient que ses applications potentielles sont loin d'être épuisées :lorsqu'il est utilisé dans les médicaments, il a déjà été démontré que le deutérium a un effet prolongeant la vie, bien qu'au départ uniquement pour le principe actif lui-même. Les médicaments contenant du deutérium peuvent être dosés plus bas, de sorte que leurs effets secondaires sont également réduits. Dans les réacteurs nucléaires, le deutérium joue un rôle important en tant que modérateur. De plus, un mélange de deutérium et de tritium ou ³ L'hélium devrait être utilisé comme combustible dans les futurs réacteurs à fusion. D'autres domaines d'application incluent la médecine, les sciences de la vie, l'analyse et les nouveaux écrans de télévision.

Dans le cadre d'une collaboration interdisciplinaire, les groupes du professeur Stefan Kaskel et du professeur Thomas Heine de TU Dresden, ainsi que le Dr Michael Hirscher du MPI for Intelligent Systems Stuttgart, ont maintenant développé un nouveau mécanisme de séparation pour les isotopes de l'hydrogène basé sur le flexible cadre métallo-organique "DUT-8" développé à TU Dresden. "Notre matériau permet la séparation du deutérium gazeux de l'hydrogène. Le cadre métallo-organique unique DUT-8 est très flexible et peut adapter dynamiquement la taille de ses pores. Mais cette réponse structurelle s'est avérée très sélective :seul le deutérium peut ouvrir les pores tandis que l'hydrogène laisse le cadre fermé. Cette reconnaissance hautement sélective conduit à une sélectivité de séparation élevée combinée à une forte absorption de deutérium », explique Stefan Kaskel, professeur de chimie inorganique à l'Université technique de Dresde. Avec son groupe, il se spécialise dans les nouveaux matériaux fonctionnels nanostructurés et poreux pour le stockage et la conversion d'énergie et a déjà développé plusieurs matériaux brevetés.

Son matériau DUT-8, publié en 2012, ne montrait initialement aucune absorption d'hydrogène, ni à haute pression ni à très basse température. "Lors de nos mesures au MPI de Stuttgart, nous avons observé pour la première fois une ouverture de la structure de DUT-8 sous atmosphère de deutérium à très basse température. Par la suite, nous avons également réussi à séparer expérimentalement des mélanges d'isotopes d'hydrogène, le matériau jouant le rôle de une sorte de "tamis quantique" flexible et donc extrêmement efficace", explique le Dr Michael Hirscher, qui étudie depuis plusieurs années des mécanismes efficaces de séparation des isotopes de l'hydrogène au MPI pour les systèmes intelligents.

Les calculs des premiers principes en conjonction avec la thermodynamique statistique prédisent l'ouverture sélective des isotopes et les rationalisent avec des effets quantiques nucléaires prononcés. Cependant, il existe d'autres soi-disant isotopologues (molécules des mêmes éléments mais des isotopes différents) de l'hydrogène, à savoir HD, HT, DT et T₂ , which have to be considered in the separation, and those containing T are radioactive. In the group of Thomas Heine, Chair of Theoretical Chemistry at TU Dresden, the behavior of these isotopologues has been simulated. "In this joint work, we have succeeded in replacing safety-related problematic experiments with radioactive material with validated computer simulations and thus in making predictions for potential applications of this isotope-dependent opening effect of DUT-8," Professor Heine explains. His simulations show that DUT-8 opens only for isotopologues without light H isotopes. For HD, these predictions have already been confirmed experimentally by Dr. Hirscher's group. + Explorer plus loin

Excess deuterium levels found in bones of marine mammals