Deuterium, vätets tunga bror, anses vara ett lovande material för framtiden på grund av dess breda användningsområde - inom vetenskap, för energigenerering eller vid produktion av läkemedel. Emellertid har utvinningen av deuterium från dess naturliga isotopblandning hittills varit komplex och dyr. Med ett poröst material utvecklat vid Technische Universität Dresden skulle detta snart kunna göras mer effektivt och kostnadseffektivt. Den nya metoden har nu publicerats i den vetenskapliga tidskriften Science Advances .

Rymdskeppet Enterprise flög genom galaxen med deuterium som bränsle. Även om detta var science fiction från 1960- och 70-talen, pågår forskning om den verkliga tillämpningen av väteisotopen för energiproduktion fortfarande idag. Den största utmaningen här är utvinningen av isotopen. Deuterium (kemisk förkortning D, "tungt" väte) är en av de tre naturliga isotoper av väte, tillsammans med protium (H, "normalt" väte) och tritium (T, "supertungt" väte). Både deuterium och protium är stabila isotoper av väte. Vanligt vatten och tungt vatten tillverkat av deuterium är lika stabila. Tritium (T) är extremt lovande ur teknisk synvinkel, men är inte utan säkerhetsproblem på grund av dess radioaktivitet.

Deuterium utvinns ur tungt vatten, det vill säga vatten som innehåller deuterium, som finns till 0,15 promille i jordens naturliga vattenresurser. För att göra detta isoleras först tungvattnet med kemiska och fysikaliska processer och sedan produceras deuteriumgas. Dessa processer är så komplexa och energikrävande att ett gram deuterium är dyrare än ett gram guld, även om dess naturliga förekomst är många gånger högre.

Men efterfrågan på rent deuterium fortsätter att växa, eftersom dess unika fysikaliska egenskaper gör att dess potentiella tillämpningar är långt ifrån uttömda:när det används i läkemedel har deuterium redan visat sig ha en livsförlängande effekt, om än initialt bara för den aktiva ingrediensen sig. Läkemedel som innehåller deuterium kan doseras lägre, så att deras biverkningar också minskar. I kärnreaktorer spelar deuterium en viktig roll som moderator. Dessutom en blandning av deuterium och tritium eller ³ Helium planeras att användas som bränsle i framtida fusionsreaktorer. Andra användningsområden inkluderar medicin, biovetenskap, analys och nya TV-skärmar.

I ett tvärvetenskapligt samarbete har grupperna av Prof. Stefan Kaskel och Prof. Thomas Heine från TU Dresden, tillsammans med Dr. Michael Hirscher från MPI for Intelligent Systems Stuttgart, nu utvecklat en ny separationsmekanism för väteisotoperna baserad på den flexibla metall-organisk ram "DUT-8" utvecklad vid TU Dresden. "Vårt material möjliggör separation av gasformigt deuterium från väte. Det unika metallorganiska ramverket DUT-8 är mycket flexibelt och kan dynamiskt anpassa sin porstorlek. Men detta strukturella svar visade sig vara mycket selektivt:Endast deuterium kan öppna porerna medan väte lämnar ramverket stängt. Denna mycket selektiva igenkänning leder till en hög separationsselektivitet i kombination med högt deuteriumupptag", förklarar Stefan Kaskel, professor i oorganisk kemi vid TU Dresden. Med sin grupp är han specialiserad på nya nanostrukturerade och porösa funktionella material för energilagring och omvandling och har redan utvecklat flera patenterade material.

Hans material DUT-8, publicerat 2012, visade initialt inget väteupptag, varken vid högt tryck eller vid mycket låga temperaturer. "Under våra mätningar vid MPI i Stuttgart observerade vi för första gången en öppning av strukturen hos DUT-8 under deuteriumatmosfär vid mycket låga temperaturer. Därefter lyckades vi även experimentellt separera väteisotopblandningar, med materialet som fungerade som en sorts flexibel och därför extremt effektiv "kvantsikt", förklarar Dr. Michael Hirscher, som under flera år har forskat om effektiva separationsmekanismer för väteisotoper vid MPI for Intelligent Systems.

Första principsberäkningar i samband med statistisk termodynamik förutsäger den isotopselektiva öppningen och rationaliserar dem med uttalade kärnkvanteffekter. Det finns dock andra så kallade isotopologer (molekyler av samma grundämnen men olika isotoper) av väte, nämligen HD, HT, DT och T₂ , som måste beaktas vid separationen, och de som innehåller T är radioaktiva. I gruppen av Thomas Heine, ordförande för teoretisk kemi vid TU Dresden, har beteendet hos dessa isotopologer simulerats. "I detta gemensamma arbete har vi lyckats ersätta säkerhetsrelaterade problematiska experiment med radioaktivt material med validerade datorsimuleringar och därmed göra förutsägelser för potentiella tillämpningar av denna isotopberoende öppningseffekt av DUT-8", förklarar professor Heine. Hans simuleringar visar att DUT-8 endast öppnar för isotopologer utan lätta H-isotoper. För HD har dessa förutsägelser redan bekräftats experimentellt av Dr Hirschers grupp. + Utforska vidare

Överskott av deuteriumnivåer som finns i ben från marina däggdjur