Femtio år sedan, forskare träffade vad de trodde skulle kunna bli nästa raketbränsle. Carboraner - molekyler sammansatta av bor, kol- och väteatomer samlade i tredimensionella former-sågs som den möjliga grunden för nästa generations drivmedel på grund av deras förmåga att släppa ut enorma mängder energi när de bränns.

Det var teknik som vid den tiden hade potential att öka eller till och med överträffa traditionellt kolväteraketbränsle, och var föremål för stora investeringar på 1950- och 60 -talen.

Men saker blev inte som förväntat.

"Det visar sig att när du bränner dessa saker bildar du faktiskt mycket sediment, "sa Gabriel Ménard, en biträdande professor vid UC Santa Barbaras institution för kemi och biokemi. Förutom andra problem som uppstår när du bränner detta så kallade "zip-bränsle, "dess rester gummade också upp verken i raketmotorer, och så skrotades projektet.

"Så de gjorde dessa enorma lager av dessa föreningar, men de har faktiskt aldrig använt dem, "Sa Ménard.

Snabbspolning fram till idag, och dessa föreningar har kommit tillbaka till mode med ett brett spektrum av applikationer, från medicin till nanoskala. För Ménard och kollegan UCSB -kemiprofessorn Trevor Hayton, liksom kemiprofessorn vid Tel Aviv University Roman Dobrovetsky, karboraner kan hålla nyckeln till mer effektiv uranjonutvinning. Och det, i tur och ordning, kan möjliggöra saker som bättre bearbetning av kärnavfall och uran (och annan metall) återvinning från havsvatten.

Deras forskning - det första exemplet på tillämpning av elektrokemiska karboranprocesser vid uranutvinning - publiceras i ett papper (länk) som visas i tidskriften Natur .

Nyckeln till denna teknik är mångsidigheten hos klustermolekylen. Beroende på deras sammansättningar kan dessa strukturer likna slutna burar, eller fler öppna bon, på grund av kontroll av föreningens redoxaktivitet - dess beredskap att donera eller skaffa elektroner. Detta möjliggör kontrollerad infångning och frisättning av metalljoner, som i denna studie tillämpades på uranjoner.

"Det stora framsteget här är denna" catch and release "-strategi där du kan växla mellan två stater, där ett tillstånd binder metallen och ett annat tillstånd frisätter metallen, "Sa Hayton.

Konventionella processer, såsom den populära PUREX -processen som extraherar plutonium och uran, lita starkt på lösningsmedel, extraktionsmedel och omfattande bearbetning.

"I grund och botten, man kan säga att det är slöseri, "Sa Ménard." I vårt fall, vi kan göra detta elektrokemiskt - vi kan fånga upp och släppa uranet med en strömbrytare.

"Vad händer egentligen, "tillade Ménard, "är att buren öppnar sig." Specifikt, den tidigare stängda ortokarboranen blir en öppnad nido- ("bo") karboran som kan fånga den positivt laddade uranjonen.

Konventionellt, kontrollerad frisättning av extraherade uranjoner, dock, är inte lika enkelt och kan vara lite rörigt. Enligt forskarna, sådana metoder är "mindre etablerade och kan vara svåra, dyrt och eller destruktivt för det ursprungliga materialet. "

Men här, forskarna har tagit fram ett sätt att på ett tillförlitligt och effektivt sätt bläddra fram och tillbaka mellan öppna och stängda karboraner, använder el. Genom att applicera en elektrisk potential med hjälp av en elektrod doppad i den organiska delen av ett bifasiskt system, karboranerna kan ta emot och donera de elektroner som behövs för att öppna och stänga och fånga upp och släppa uran, respektive.

"I princip kan du öppna den, fånga uran, stäng den igen och släpp sedan uran, "Sade Ménard. Molekylerna kan användas flera gånger, han lade till.

Denna teknik kan användas för flera applikationer som kräver utvinning av uran och i förlängning, andra metalljoner. Ett område är nukleär upparbetning, där uran och andra radioaktiva "transuran" -element extraheras från använt kärnmaterial för lagring och återanvändning (PUREX-processen).

"Problemet är att dessa transuranelement är mycket radioaktiva och vi måste kunna lagra dem under mycket lång tid eftersom de i grunden är mycket farliga, "Sade Ménard. Denna elektrokemiska metod kan möjliggöra separering av uran från plutonium, liknande PUREX -processen, han förklarade. Det extraherade uranet kan sedan anrikas och sättas tillbaka i reaktorn; det andra högnivåavfallet kan överföras för att minska deras radioaktivitet.

Dessutom, den elektrokemiska processen kan också tillämpas på uranutvinning från havsvatten, vilket skulle underlätta trycket på de markbundna gruvorna där allt uran för närvarande kommer.

"Det finns ungefär tusen gånger mer upplöst uran i haven än i alla landminor, "Ménard sa. På samma sätt, litium - en annan värdefull metall som finns i stora reserver i havsvatten - skulle kunna utvinnas på detta sätt, och forskarna planerar att ta denna forskningsriktning inom en snar framtid.

"Detta ger oss ett annat verktyg i verktygslådan för att manipulera metalljoner och bearbeta kärnavfall eller göra metallinsamling ur haven, "Sade Hayton." Det är en ny strategi och en ny metod för att uppnå denna typ av transformationer. "

Forskning i denna studie genomfördes också av Megan Keener (huvudförfattare), Camden Hunt och Timothy G. Carroll vid UCSB; och av Vladimir Kampel vid Tel Aviv University.