اتم هیدروژن دارای سه ایزوتوپ موسوم به پروتیوم(protium)، دوتریوم(deuterium) و تریتیوم(tritium) است. این ایزوتوپ‌ها نقش مهمی در تولید سوخت هیدروژنی، همجوشی هسته‌ای و توسعه داروهای پیشرفته دارند.

با این حال، جداسازی این ایزوتوپ‌ها در دمای اتاق کار آسانی نیست. این به این دلیل است که اندازه و شکل آنها تقریباً مشابه است. به علاوه، هر یک از آنها یک پروتون و یک الکترون دارند که منجر به خواص شیمیایی و ترمودینامیکی مشابهی می‌شود.

بنابراین روش‌هایی که در حال حاضر برای استخراج ایزوتوپ‌های هیدروژن استفاده می‌شوند، منابع زیادی مصرف می‌کنند و برای کارآمد بودن به شرایط دشواری نیاز دارند.

به عنوان مثال، نات آسمیس(Knut Asmis) استاد شیمی در دانشگاه لایپزیگ می‌گوید: تقریباً ۱۵ سال است که مشخص شده چارچوب‌های متخلخل فلزی-آلی اصولاً می‌توانند برای خالص‌سازی و جداسازی ایزوتوپ‌های هیدروژن استفاده شوند. با این حال، این کار تنها در دماهای بسیار پایین، یعنی در حدود منفی ۲۰۰ درجه سانتیگراد امکان‌پذیر بوده است و این شرایطی است که اجرای آن در مقیاس صنعتی بسیار پرهزینه است.

آسمیس و همکارانش اخیراً مطالعه‌ای منتشر کرده‌اند که بینش‌های ارزشمندی در مورد چگونگی جداسازی ایزوتوپ‌های هیدروژن در دمای اتاق و با هزینه کم ارائه می‌دهد.

کلید در دست «لیگاند آب» است

هنگامی که یون‌های فلزی متخلخل مانند یون مس(+Cu) با هیدروژن تحت شرایط شدید برهم‌کنش می‌کنند، جذب انتخابی برای جداسازی یک ایزوتوپ انجام می‌دهند.

نویسندگان این مطالعه می‌گویند: جذب، فرآیندی است که در آن اتم‌ها، یون‌ها یا مولکول‌های یک گاز یا مایع به یک سطح جامد و اغلب متخلخل می‌چسبند.

محققان در طول مطالعه خود دریافتند که وقتی مولکول‌های آب به عنوان لیگاند با یون مس استفاده می‌شود، فلز در جذب و نگهداری مولکول‌های هیدروژن بهتر عمل می‌کند.

همچنین ترکیب مس-آب حاصل در تشخیص تفاوت انرژی در پیوندهای بین هیدروژن معمولی(H۲) و هیدروژن سنگین(D۲) در مقایسه با مس خالی بهتر است.

برخلاف یون‌های مس تنها، ترکیب آب-مس به مقادیر زیادی انرژی برای دستیابی به ایزوتوپ هیدروژن نیاز ندارد. این بدان معنی است که می‌تواند به راه‌های کارآمدتر، کم‌مصرف‌تر و مقرون‌به‌صرفه‌تر برای دستیابی به ایزوتوپ‌های هیدروژن منجر شود.

مزایای فراوان استفاده از آب همراه با فلزات

این مطالعه نشان می‌دهد که ترکیب‌های فلزی متخلخل با لیگاندهای آب، کاندیدهای امیدوارکننده‌ای برای جداسازی ایزوتوپ هیدروژن هستند. همچنین پیشنهاد می‌کند که ترکیب‌های فلز-آب می‌توانند برای مطالعه واکنش‌های شیمیایی که در مکان‌های خاص در سیستم‌های بزرگ رخ می‌دهند، استفاده شوند.

آسمیس و تیمش همچنین طیف‌سنجی و محاسبات کوانتومی پیچیده را برای درک جزئیات تعامل بین ایزوتوپ‌های هیدروژن انجام دادند. یافته‌های آنها می‌تواند راه‌های عملی‌تری برای جذب انتخابی ایزوتوپ‌ها را نشان دهد.

توماس هاین(Thomas Heine) یکی از نویسندگان این مطالعه و متخصص شیمی نظری در دانشگاه فنی درسدن می‌گوید: ما برای اولین بار توانستیم تاثیر اتم‌های منفرد ترکیبات چارچوب را بر جذب نشان دهیم.

وی افزود: ما اکنون می‌توانیم آنها را به روشی هدفمند بهینه کنیم تا موادی با گزینش‌پذیری بالا در دمای اتاق به دست آوریم.

این مطالعه در مجله Chemical Science منتشر شده است.