I en studie som använde metallorganiska ramverk (MOF) för att fånga radioaktiva molekyler, Forskare från UT Dallas hjälpte till att fastställa hur bindningen inträffade och varför kapaciteten för jodfångning var så hög. Denna provhållare gör det möjligt att mäta jodet som fångas i MOF-pulvret.

Forskare vid University of Texas i Dallas undersöker effektiviteten av en "svamp" i nanoskala som kan hjälpa till att filtrera bort farliga radioaktiva partiklar från kärnavfall.

Att effektivt fånga upp dessa biprodukter från kärnkraft skulle dramatiskt öka återvinningsarbetet och förbättra säker lagring av radioaktiva material, sa Dr Yves Chabal, prefekt för institutionen för materialvetenskap och teknik vid Erik Jonssonhögskolan för teknik och datavetenskap.

Forskare använde små metallorganiska ramverk, eller MOF, för att fånga radioaktiva molekyler. De är sammansatta av metalljoncentra och organiska molekyler som länkar samman delar av strukturen. Detta skapar en mikroskopisk ställning, eller fälla, som kan fånga upp specifika gaser och andra molekyler. Det nuvarande arbetet fokuserade på att testa adsorptionskapaciteten hos specifika MOF för att avlägsna radioaktivt jod mer effektivt.

Medan porösa material har använts för att fånga in radioaktiva molekyler, kapaciteten hos befintliga adsorbenter är fortfarande otillräcklig. Adsorption är den process genom vilken ett tunt lager av molekyler klamrar sig fast vid ytorna av fasta kroppar eller vätskor – i det här fallet, de inre ytorna på MOF:er.

"I en förbrukad radioaktiv bränslestav, det finns flera element som förfaller i olika takt. Radioaktivt jod är en av de primära biprodukterna, " sa Dr Kui Tan, en forskare från UT Dallas och en av författarna till studien som nyligen publicerades i tidskriften Naturkommunikation . "Genom att fästa en kväveinnehållande molekyl till MOF:erna, våra kollegor visade att de kunde fånga dessa radioaktiva molekyler mycket effektivt."

Kärnkraft står för ungefär 11 procent av världens el, och forskare undersöker effektivare och billigare metoder för att fånga upp radioaktivt jod och andra vanliga biprodukter från reaktorerna. Vissa MOF:er genomsyrade av silver fungerar bra vid höga temperaturer, men är dyra och svåra att återvinna.

"Professor Jing Li och hennes team vid Rutgers University designade och syntetiserade MOF-molekylfällorna, ", sa Tan. "De visade att MOF:erna kan funktionaliseras genom att lägga till kväveinnehållande molekyler för att bilda starka kemiska bindningar med organiska jodider, därigenom fånga dem i porerna. Men de behövde hjälp för att helt förstå bindningsmekanismen. Det var här vårt team och teamet på Wake Forest kom in."

Använda spektroskopi för att bestämma interaktionen mellan molekylärt jod och organisk jodid inom det funktionaliserade gittret, Tan och hans kollegor upptäckte hur bindningen uppstod och varför kapaciteten för jodfångning var så hög.

Medan Rutgers-teamet fann att de molekylära fällorna fångade mer än 340 procent mer radioaktivt material än nuvarande industriella adsorbenter, UT Dallas och Wake Forest-lagen bestämde varför och hur, vilket kraftigt ökar effekten av arbetet. Med denna kunskap, det finns en grund för att överväga andra material och molekyler för ett brett spektrum av tillämpningar.

"Syntesen av dessa MOF är skalbar, och de har potential att produceras i industriell skala, ", sa Tan. "Vi förstår verkligen bättre hur dessa processer fungerar, och vi hoppas att det öppnar upp möjligheten att hitta nya applikationer."

Både Chabal och Tan noterade att samarbetet mellan Rutgers, UT Dallas och Wake Forest University var avgörande för att hitta denna nya potentiella metod för att fånga in radioaktivt material. Forskare från Massachusetts Institute of Technology, King Abdullah University of Science and Technology i Saudiarabien, och Jilin University i Kina bidrog också till studien.