Un tamis quantique flexible filtre le carburant du vaisseau spatial Enterprise

Seul le deutérium peut ouvrir les pores de DUT-8, tandis que l’hydrogène laisse le cadre fermé. Cette détection hautement sélective conduit à une sélectivité de séparation élevée combinée à une forte absorption de deutérium. Crédit : Dr. Volodymyr Bono

Le deutérium, le frère lourd de l’hydrogène, est considéré comme un matériau prometteur pour l’avenir en raison de son large éventail d’applications, en science, pour la production d’énergie ou dans la production de produits pharmaceutiques. Cependant, l’extraction du deutérium à partir de son mélange d’isotopes naturels a jusqu’à présent été complexe et coûteuse. Avec un matériau poreux développé à la Technische Universität Dresden, cela pourrait bientôt être fait de manière plus efficace et plus rentable. La nouvelle méthode vient d’être publiée dans la revue scientifique Avancées scientifiques

Le vaisseau spatial Enterprise a survolé la galaxie en utilisant du deutérium comme carburant. Même s’il s’agissait de science-fiction des années 60 et 70, la recherche sur l’application réelle de l’isotope de l’hydrogène pour la production d’énergie se poursuit encore aujourd’hui. Le principal défi ici est l’extraction de l’isotope. Le deutérium (abréviation chimique D, hydrogène “lourd”) est l’un des trois isotopes naturels de l’hydrogène, avec le protium (H, hydrogène “normal”) et le tritium (T, hydrogène “superlourd”). Le deutérium et le protium sont des isotopes stables de l’hydrogène. L’eau ordinaire et l’eau lourde fabriquée à partir de deutérium sont également stables. Le tritium (T) est extrêmement prometteur d’un point de vue technique, mais n’est pas sans souci de sécurité en raison de sa radioactivité.

Le deutérium est extrait de l’eau lourde, c’est-à-dire de l’eau contenant du deutérium, qui est contenu à 0,15 pour mille dans les ressources naturelles en eau de notre terre. Pour ce faire, l’eau lourde est d’abord isolée par des procédés chimiques et physiques, puis du gaz de deutérium est produit. Ces processus sont si complexes et énergivores qu’un gramme de deutérium coûte plus cher qu’un gramme d’or, même si sa présence naturelle est plusieurs fois plus élevée.

Mais la demande de deutérium pur ne cesse de croître, car ses propriétés physiques uniques signifient que ses applications potentielles sont loin d’être épuisées : lorsqu’il est utilisé dans les médicaments, il a déjà été démontré que le deutérium a un effet prolongeant la vie, bien qu’au départ uniquement pour le principe actif lui-même. Les médicaments contenant du deutérium peuvent être dosés plus bas, de sorte que leurs effets secondaires sont également réduits. Dans les réacteurs nucléaires, le deutérium joue un rôle important en tant que modérateur. De plus, un mélange de deutérium et de tritium ou 3L’hélium devrait être utilisé comme combustible dans les futurs réacteurs à fusion. D’autres domaines d’application incluent la médecine, les sciences de la vie, l’analyse et les nouveaux écrans de télévision.

Dans une collaboration interdisciplinaire, les groupes du Prof. Stefan Kaskel et Prof. dr. Thomas Heine de TU Dresden, avec le Dr. Michael Hirscher du MPI pour Intelligent Systems Stuttgart, a maintenant développé un nouveau mécanisme de séparation pour les isotopes de l’hydrogène basé sur le cadre flexible métal-organique “DUT-8” développé à TU Dresden. “Notre matériau permet la séparation du deutérium gazeux de l’hydrogène. Le cadre métallo-organique unique DUT-8 est très flexible et peut adapter dynamiquement la taille de ses pores. Mais cette réponse structurelle s’est avérée très sélective : seul le deutérium peut ouvrir les pores tandis que l’hydrogène laisse le cadre fermé. Cette reconnaissance hautement sélective conduit à une sélectivité de séparation élevée combinée à une forte absorption de deutérium », explique Stefan Kaskel, professeur de chimie inorganique à l’Université technique de Dresde. Avec son groupe, il se spécialise dans les nouveaux matériaux fonctionnels nanostructurés et poreux pour le stockage et la conversion d’énergie et a déjà développé plusieurs matériaux brevetés.

Son matériau DUT-8, publié en 2012, ne montrait initialement aucune absorption d’hydrogène, ni à haute pression ni à très basse température. “Lors de nos mesures au MPI de Stuttgart, nous avons observé pour la première fois une ouverture de la structure de DUT-8 sous atmosphère de deutérium à très basse température. Par la suite, nous avons également réussi à séparer expérimentalement des mélanges d’isotopes d’hydrogène, le matériau jouant le rôle de une sorte de “tamis quantique” flexible et donc extrêmement efficace”, explique le Dr. Michael Hirscher, qui étudie depuis plusieurs années des mécanismes efficaces de séparation des isotopes de l’hydrogène au MPI pour les systèmes intelligents.

Les calculs des premiers principes en conjonction avec la thermodynamique statistique prédisent l’ouverture sélective des isotopes et les rationalisent avec des effets quantiques nucléaires prononcés. Cependant, il existe d’autres soi-disant isotopologues (molécules des mêmes éléments mais des isotopes différents) de l’hydrogène, à savoir HD, HT, DT et T2, qui doivent être pris en compte dans la séparation, et ceux contenant T sont radioactifs. Dans le groupe de Thomas Heine, Chair of Theoretical Chemistry à TU Dresden, le comportement de ces isotopologues a été simulé. “Dans ce travail commun, nous avons réussi à remplacer les expériences problématiques liées à la sécurité avec des matières radioactives par des simulations informatiques validées et ainsi à faire des prédictions pour les applications potentielles de cet effet d’ouverture dépendant des isotopes du DUT-8”, explique le professeur Heine. Ses simulations montrent que DUT-8 ne s’ouvre que pour les isotopologues sans isotopes H légers. Pour la MH, ces prédictions ont déjà été confirmées expérimentalement par le Dr. groupe d’Hirscher.


Des niveaux excessifs de deutérium trouvés dans les os de mammifères marins


Plus d’information:
Linda Bondorf et al, Ouverture de pores sélective par isotope dans un cadre métal-organique flexible, Avancées scientifiques (2022). DOI : 10.1126/sciaadv.abn7035

Fourni par l’Université de technologie de Dresde

Citation: Le tamis quantique flexible filtre le carburant du vaisseau Enterprise (14 avril 2022) récupéré le 15 avril 2022 sur https://phys.org/news/2022-04-flexible-quantum-sieve-filters-fuel.html

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