Cette illustration d'une charpente métallo-organique, ou MOF, montre le centre métallique lié aux molécules organiques. Chaque MOF a une charpente spécifique déterminée par le choix du métal et de l'organique.
Un nouveau type de piège moléculaire nanométrique permet à l'industrie de stocker de grandes quantités d'hydrogène dans de petites piles à combustible ou de capturer, compacter et éliminer les gaz radioactifs volatils du combustible nucléaire usé de manière abordable, manière facilement commercialisable.
La possibilité d'ajuster la taille des ouvertures du piège pour sélectionner des molécules spécifiques ou pour modifier la façon dont les molécules sont libérées à des pressions accessibles industriellement rend le piège particulièrement polyvalent. Le piège est construit à partir de matériaux disponibles dans le commerce et rendu possible grâce à un travail collaboratif dans les laboratoires nationaux d'Argonne et de Sandia.
« Cela introduit une nouvelle classe de matériaux pour la dépollution des déchets nucléaires, " dit Tina Nenoff, un chimiste aux laboratoires nationaux Sandia. "Cette conception peut capturer et retenir environ cinq fois plus d'iode que les technologies matérielles actuelles."
Molécules organiques liées entre elles avec des ions métalliques dans un réseau de type Tinker Toy à l'échelle moléculaire appelé cadre métal-organique, ou MOF, former le piège. Des molécules d'iode ou de dioxyde de carbone radioactif ou encore d'hydrogène destinés à être utilisés comme combustible peuvent entrer par les fenêtres de la charpente.
Une fois la pression appliquée, ces fenêtres sont déformées, empêchant les molécules de partir. Cela crée une cage et un moyen de sélectionner ce qu'il faut piéger en fonction de la forme et de la taille de la molécule.
La compression transforme également le MOF d'une éponge moléculaire duveteuse qui prend beaucoup de place en une pastille compacte. La capacité de comprimer de grandes quantités de gaz en petits volumes est une étape cruciale pour développer l'hydrogène gazeux comme carburant alternatif pour les moteurs.
Mais qu'est-ce qui fait que ce MOF, appelé ZIF-8, radicalement différente des conceptions créées au cours de la dernière décennie est sa capacité à déformer les fenêtres dans le cadre et à piéger de grands volumes de gaz à des pressions relativement basses. ZIF-8 prend environ deux fois la pression d'un compacteur de voiture de casse, qui est environ 10 fois moins de pression que nécessaire pour comprimer d'autres MOF de zéolite comparables.
Cela crée un processus respectueux de l'environnement qui est à la portée des machines industrielles existantes, peut être produit à grande échelle et est financièrement viable.
Le ZIF-8 est composé de cations zinc et de lieurs organiques à base d'imidazolate. La topologie de la charpente est analogue à celle de la sodalite, une zéolite bien connue.
L'utilisation d'autres MOF poreux disponibles est limitée à de petits lots car un équipement scientifique spécialisé est nécessaire pour appliquer la grande quantité de pression dont ils ont besoin pour se comprimer dans une position qui maintiendra la nouvelle forme qui emprisonne le gaz. Cela les rend non commercialement viables.
Chapman et ses collègues d'Argonne ont utilisé les rayons X de la source avancée de photons pour perfectionner la technique à basse pression consistant à transformer les MOF en pastilles denses. La distorsion de la charpente moléculaire qui se produit au cours du processus ne réduit pas de manière significative la capacité de stockage de gaz.
"Ces MOF ont des applications de grande envergure, " a déclaré Karena Chapman, un scientifique au Laboratoire National d'Argonne, qui a été inspirée à explorer les traitements à basse pression pour les MOF par ses expériences de travail avec des MOF flexibles pour le stockage de l'hydrogène. Avant ce travail, la recherche scientifique la plus exigeante, comme le développement des MOF, s'est inspiré des études de la terre, où des pressions importantes provoquent des transitions dans les matériaux géologiques.
Avec le processus de granule élaboré, les scientifiques ont fait appel à Nenoff à Sandia pour trouver le bon type de molécule pour la structure du MOF afin d'étendre son utilisation à partir de la capture d'hydrogène et de dioxyde de carbone. Nenoff et son équipe avaient identifié le MOF ZIF-8 comme étant parfaitement adapté pour séparer et piéger les molécules d'iode radioactif d'un flux de combustible nucléaire usé en fonction de la taille de ses pores et de sa surface élevée.
Il s'agit de l'une des premières tentatives d'utilisation des MOF de cette manière. Cela présente des opportunités pour le nettoyage des accidents de réacteur nucléaire et pour le retraitement du combustible. Des pays comme la France, La Russie et l'Inde récupèrent les matières fissiles des composants radioactifs du combustible nucléaire irradié pour fournir du combustible neuf aux centrales électriques. Cela réduit la quantité de déchets nucléaires qui doivent être stockés. L'iode radioactif a une demi-vie de 16 millions d'années.
L'équipe de recherche continue d'examiner différentes structures de MOF pour augmenter la quantité de stockage d'iode et mieux prédire comment les conditions environnementales telles que l'humidité affecteront la durée de vie du stockage.
