por Un equipo de científicos de la Universidad de Iowa y el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) pusieron a prueba una gama de nuevos métodos de síntesis y caracterización de materiales y desarrollaron 14 materiales híbridos orgánicos-inorgánicos, siete de los cuales son completamente nuevos. Estos materiales a base de uranio, así como los informes detallados de sus mecanismos de unión, ayudarán a promover soluciones de energía limpia, incluida la energía nuclear segura. El trabajo, actualmente publicado en línea, ha sido reconocido como Critical Paper y Hot Topic: Crystal Engineering in Química Aplicada, Edición Internacional. Aparecerá en la edición impresa de julio.
Si bien es importante entender de qué está hecha una estructura, también es importante entender lo que mantiene unida. Científicos y estudiantes de la Universidad de Iowa, con la ayuda de Sara E. Mason, líder de grupo en teoría y computación en el Centro de Nanomateriales Funcionales, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) en el Laboratorio Nacional Brookhaven del DOE, y profesora asociada adjunta en la Universidad de Iowa, iniciaron y apoyaron una estructura para manipular el tetrahalnio de Iowa. compuesto.
«Este estudio va más allá de la colaboración», dijo la coautora del estudio, Sara E. Mason. «Por el lado de la síntesis, descubrimos estructuras cristalinas completamente nuevas, lo cual es realmente genial en sí mismo. Además de eso, encontramos algo de termoquímica interesante, la energía química almacenada en los enlaces de esas estructuras. Luego estaba el modelado de estas estructuras. Es posible que hayamos terminado nuestros estudios allí, pero Harindu Rajapaksha, el estudiante que dirige esta investigación, realmente quería usar el posible nivel de termoquímica antes de esto y más allá».
Las capas de trabajo aportadas por el equipo dieron como resultado una búsqueda integral para comprender y manipular los enlaces que sustentan la estructura del tetrahaluro de uranilo, un importante compuesto de uranio. La investigación teórica y experimental ha proporcionado información sobre la forma en que se forman las moléculas de hidrógeno que pueden estabilizar estas estructuras moleculares complejas, allanando el camino para que los científicos las modifiquen para muchas aplicaciones.
Tetrahaluro de uranilo: la remezcla
Al diseñar materiales híbridos para el estudio, ¿por qué mirar el uranio? Para este grupo, la respuesta es tanto práctica como personal.
«Para gestionar eficazmente los residuos nucleares, necesitamos una mejor comprensión de cuestiones como la separación de materiales y el reciclaje», dijo Tori Forbes, profesora y directora del Centro de análisis, pruebas y fabricación de materiales de la Universidad de Iowa. «Necesitamos saber cómo se comporta el uranio en los sólidos y en el agua, por lo que investigamos la química muy básica del uranio para obtener conocimientos que puedan usarse para tecnologías y estrategias avanzadas para mejorar la parte posterior del ciclo del combustible nuclear».
Mirando hacia un futuro con energía limpia desplegada a gran escala, el uranio es un material que ha despertado mucho interés científico. El uranio constituye la mayor parte de los subproductos de la energía nuclear, que es una fuente de energía sin emisiones de carbono. Comprender la química del uranio y los sistemas relacionados es esencial para implementar la energía nuclear de manera segura y efectiva. Ese no es el único aspecto intrigante de este elemento. Algunos investigadores disfrutan el desafío de trabajar en estructuras tan complejas.
«Soy un químico de formación», dice Mason, «así que estoy fascinado por lo que está realmente en lo profundo de la tabla periódica, como el uranio. Cuanto más profundo vas, más electrones tienes, y cuantos más electrones tienes, más rara, más rara y más emocionante es la estructura electrónica y los enlaces. Existe esta ‘frontera final’ de estructuras periódicas que nunca existió. Una pura curiosidad química, todo es realmente genial».
Este trabajo también se basa en la base de investigación de los materiales híbridos de uranilo que el equipo publicó en Inorganic Chemistry en 2022. Ambos estudios utilizaron la teoría funcional de la densidad, un método de modelado computacional que utiliza la mecánica cuántica para predecir la estructura electrónica de los materiales, la forma en que los electrones se mueven en ciertos materiales, junto con métodos complementarios para caracterizar estas estructuras. En moléculas más grandes, la estructura atómica de un sistema químico se vuelve más compleja y hay más electrones disponibles para interactuar. Esas interacciones pueden dificultar ciertos cálculos, razón por la cual los científicos confían en varios métodos diferentes para investigar la estructura y las propiedades de estos sistemas. Al construir sobre los cimientos de su trabajo anterior, el equipo ahora tiene suficientes estructuras para comparar el trabajo teórico con el experimento, lo que los ha limitado en el pasado.
Hacer conexiones
Los ladrillos LEGO® se pegan y forman un fuerte vínculo hasta que se separan. Sus pernos y rebajes de plástico moldeado con precisión están diseñados para funcionar siempre de la misma manera en todo tipo de estructuras, abriendo un mundo de posibilidades en cada configuración. Las moléculas tienen varios sistemas para mantener unidos a los átomos. Algunos se mezclan como pegamento, otros encajan como ladrillos LEGO®.
Los enlaces de hidrógeno no covalentes se pueden considerar como fuerzas electrostáticas. Hay un donante de enlace, como los montantes en la parte superior de un ladrillo LEGO®, que interactúa con un aceptador de enlace, o la parte posterior del ladrillo donde los montantes encajan perfectamente. Estos enlaces pueden ocurrir tanto intra como intermolecularmente, así como entre moléculas separadas o dentro de la misma estructura molecular, lo que permite que surjan todo tipo de geometrías moleculares interesantes. La fuerza de estos enlaces y la energía contenida dentro de los enlaces cambia según las estructuras en las que se encuentran. Comprender las propiedades de estas variaciones puede permitir a los científicos ser creativos y descubrir cómo aislar y regenerar materiales útiles de formas inesperadas.
Forbes descubrió que estos vínculos son más interesantes de lo que parecen en la superficie. Explicó que «las interacciones no covalentes (NCI) como esta son a menudo los enlaces que se pasan por alto porque se consideran débiles. Sin embargo, cuando los combina en una red más grande, la suma de estas interacciones puede tener un gran impacto en la química. Es más un enfoque a nivel de sistemas para comprender la química de manera integral. Estos tipos de sistemas de red son increíblemente importantes para el comportamiento general del uranio en el agua».
«Los NCI son importantes en varias aplicaciones, incluido el desarrollo de fármacos y el reprocesamiento de desechos nucleares», explica Rajapaksha. «Nuestro objetivo es crear un método para caracterizar cuantitativamente la red NCI en un sistema modelo de tetrahaluro de uranilo bien estudiado y describir cómo los NCI afectan dos propiedades importantes de la fase sólida de uranilo: las entalpías vibratorias y de formación, un indicador directo de la estabilidad de una especie. Estas propiedades son importantes porque la espectroscopia vibratoria, un método para identificar moléculas que se pueden identificar fácilmente mediante métodos, es una forma de identificar moléculas fácilmente, a través del método de identificar moléculas fácilmente mediante la identificación de moléculas a menudo. especies».
La entalpía es la medida de la energía interna y la energía de presión de un sistema termodinámico, que determina la fuerza de los enlaces. Cuando se rompen, la energía almacenada en estos enlaces se libera en forma de calor, que se puede medir a través de un proceso llamado calorimetría. En este proceso, una herramienta llamada calorímetro mide el cambio de temperatura que ocurre cuando se transfiere ese calor. Si esa palabra te suena familiar, es porque la calorimetría determina cuántas calorías hay en los alimentos. Sin embargo, en lugar de quemar los materiales, el equipo usó ácido para crear una reacción química que rompió los enlaces y emitió calor. Sin embargo, lograr que el modelo computacional coincidiera con los datos experimentales requirió algo de trabajo.
«Rajapaksha hizo que eso funcionara bien», dijo Mason. «Él tenía esta concordancia de alta calidad entre la termoquímica del modelo y la termoquímica medida. Esto es importante porque significa que podemos confiar en sus mediciones. Incluso si es un sistema que aún no ha sido sintetizado, puede modelarlo correctamente. Puede confiar en esas predicciones. Si tenemos una forma confiable de calcular la termoquímica, entonces podemos detectar tendencias y obtener una comprensión física nueva y más completa del enlace, químicamente hablando, que nos puede permitir ajustar y controlar estas interacciones».
La forma de las cosas por venir
Si bien el equipo aprendió algunas cosas interesantes sobre los sistemas de tetrahaluro de uranilo, dicen que el hallazgo más importante fue el método cooperativo que desarrollaron para caracterizar estos materiales. Hay otras estructuras químicas complejas a las que se pueden aplicar los mismos principios, y sus aplicaciones pueden tener efectos que cambien el mundo.
«Estamos realmente complacidos con nuestros hallazgos», dijo Rajapaksha, «y tenemos la intención de ampliar este trabajo en el futuro para incluir sistemas menos explorados, como el neptunilo. El neptunio 237, un contaminante, es un isótopo de larga vida que contribuye a la radiactividad del combustible nuclear gastado. El conocimiento básico en este campo será muy importante para nuestros métodos básicos de desechos. ología en el sistema neptunilo, que se pretende publicar lo antes posible».
