En upptäckt av forskare från Indiana University kan främja långtidslagring av kärnavfall, en allt mer betungande och kostsam uppgift för de offentliga och privata myndigheter som skyddar människor från dessa skadliga kemikalier.

I en studie publicerad 14 september, forskarna rapporterar att de har utvecklat en ny kemisk princip med potential att revolutionera skapandet av specialkonstruerade molekyler som utvinner radioaktiva grundämnen från kärnavfall, avsevärt minska volymen av dessa farliga material. Metoden är även tillämpbar på molekyler som skapats för att utvinna kemiska föroreningar från vatten och jord.

"Detta arbete representerar ett stort steg framåt i ansträngningen att konstruera specialdesignade nanostrukturer genom att tillhandahålla en ny, mycket exakt metod för att förutsäga hur dessa molekyler kommer att bete sig i lösning, " sa huvudförfattaren Amar Flood, en professor vid IU Bloomington College of Arts and Sciences Department of Chemistry.

Forskningen redovisas i en omslagsartikel i tidskriften Chem .

Flood sa att studien tar upp det faktum att det är nästan omöjligt att förutsäga hur effektivt en konstruerad molekyl kommer att prestera i den verkliga världen. Detta beror på att kemister för närvarande bara kan designa molekyler för att fungera isolerat, trots att molekyler existerar i kombination — eller "i lösning" — med andra molekyler. Saltvatten, till exempel, är en lösning av salt i vatten.

Han jämförde situationen med att designa en maskin i yttre rymden och sedan placera den på havets botten. Den vattensjuka enheten kommer inte att fungera på samma sätt som den ursprungliga designen.

Detta är särskilt allvarligt eftersom att skapa konstgjorda molekyler för att tjäna en specifik funktion kräver extremt exakt design - som att bygga ett lås för att passa en nyckel. Till exempel, en speciell molekyl utvecklad av Floods labb, kallas en cyanostjärna, består av ett femsidigt stjärnformat gitter av kol- och kväveatomer med ett tomt centrum - "låset" - vars specifika form gör att negativt laddade molekyler som fosfater och nitrater - "nyckeln" - fastnar i centrum och går sönder av från sin tidigare värd. Om lösningen fylls upp eller förvränger låset, nyckeln kanske inte längre fungerar.

Strukturer som cyanostjärnan är också kända som "receptormolekyler" eftersom de är speciellt utformade för att ta emot specifika molekyler. Förutom att minska kärnavfallet, denna teknik kan användas för att ta bort klorid från vatten – en del av processen som används för att omvandla havsvatten till sötvatten – för att eliminera överskott av kemiska gödningsmedel från marken, eller för att samla litiumjoner som används i förnybar kraft.

Med de metoder som redovisas i tidningen, Flood sa, kemister kan börja designa nya molekylära reaktioner med slutmålet i åtanke. Specifikt, den nya principen finner att attraktionen mellan receptormolekyler och negativt laddade jonmolekyler är baserad på dielektricitetskonstanten för lösningsmedlet där de är kombinerade. En dielektrisk konstant är ett mått på ett ämnes förmåga att stabilisera elektrisk laddning.

För att testa deras metod, IU-teamet tillämpade sin nyutvecklade kemiska princip på triazolofan – en molekyl designad för att extrahera klorid från omgivande molekyler – i kombination med kemiska lösningsmedel som vanligtvis används i reaktioner för att avlägsna oönskade joner från andra vätskor. I varje fall, principerna som upptäcktes av Floods grupp förutspådde exakt molekylernas effektivitet.

Den primära forskaren som ansvarar för metoden är Yun Liu, en Ph.D. student i Floods labb.

"Det nuvarande paradigmet fungerar bara för molekylära konstruktioner på ritbordet, i teorin, " sa Liu. "Men vi vill göra molekyler som fungerar i praktiken för att hjälpa till att lösa problem i den verkliga världen."

Teamet noterade också att förmågan att exakt förutsäga hur en molekyl kommer att fungera i lösning kommer att bidra till utvecklingen av mycket exakta datorsimuleringar för att snabbt testa kemiskt framställda molekyler utformade för att uppnå specifika effekter.