Depois que o combustível nuclear usado é removido de um reator, ele emite calor por décadas e permanece radioativo por milhares de anos. O combustível usado é uma mistura dos principais actinídeos (urânio, plutônio), produtos de fissão (principalmente metais variados, incluindo lantanídeos) e actinídeos menores (isto é, americium, cúrio e neptúnio). Após a decomposição dos produtos da fissão do césio-137 e do estrôncio-90 em algumas centenas de anos, os menores actinídeos e plutônio geram mais calor e radioatividade. Remoção dos actinídeos menores, especialmente amerício, pode ajudar os produtores de energia nuclear a reduzir e gerenciar melhor o fluxo de resíduos.

Uma equipe do Laboratório Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia projetou e sintetizou uma armadilha molecular seletiva que pode separar o elemento actinídeo menor amerício de uma mistura de amerício e os elementos lantanídeos, usando európio como lantanídeo modelo em experimentos. Considerando que o amerício recuperado pode ser queimado em reatores nucleares, lantanídeos são "venenos de nêutrons" e devem ser descartados em um repositório geológico para se decomporem.

"Separar o amerício é muito desafiador, uma vez que os actinídeos e produtos de fissão, especificamente lantanídeos, têm propriedades muito semelhantes, "disse o químico orgânico do ORNL Santa Jansone-Popova, autor principal do estudo, que foi publicado na revista American Chemical Society Química Inorgânica . "Enfrentamos esse desafio - objeto de esforço intensivo na comunidade científica - com uma inovação que melhora drasticamente a eficiência da extração do amerício."

"Energia nuclear, para alcançar um estado de sustentabilidade, exigirá que o combustível nuclear usado seja reciclado, "disse Bruce Moyer, líder do Grupo de Separações Químicas de ORNL e autor sênior do artigo. Essa façanha exigiria a separação de actinídeos menores. A pesquisa ORNL identifica um método inventivo para separá-los de forma seletiva e eficiente. Separações aprimoradas permitiriam uma opção fechada de reciclagem de combustível nuclear - uma perspectiva tentadora, considerando que os Estados Unidos usam apenas 1 por cento da energia nuclear potencial do urânio que extrai e atualmente não recicla combustível nuclear.

Projetar e sintetizar um composto orgânico para ligar fortemente o amerício na presença do európio exigiu um trabalho de equipe que é característico de um laboratório nacional. Os colaboradores incluíram os teóricos Alexander Ivanov e Vyacheslav Bryantsev; químicos orgânicos Jansone-Popova, Ilja Popovs e Madeline Dekarske; caracterizações estruturais químico Radu Custelcean; e os químicos de separações Frederick Sloop e Moyer.

Um composto químico (chamado ligante) pode ligar um átomo de metal. Para alta seletividade na ligação, o metal e o ligante devem estar alinhados, como uma chave deve assumir uma determinada orientação antes de poder entrar na fechadura. Em 2015, Bryantsev e Ben Hay do ORNL levantaram a hipótese e demonstraram computacionalmente que ligantes muito rígidos contendo quatro átomos doadores de elétrons seriam ideais para sequestrar átomos de actinídeo que são trivalentes (têm uma carga líquida positiva de três).

Quando os químicos ORNL começaram a testar esta ideia experimentalmente, eles imediatamente encontraram um problema significativo. Esses ligantes nunca foram relatados na literatura científica; eles teriam que ser projetados e sintetizados do zero.

Moyer sugeriu a criação de um ligante que estava saturado (ou seja, contém ligações simples) e pré-organizadas (posiciona os átomos de maneira ideal para a ligação de um metal). Cálculos teóricos de Bryantsev e Ivanov confirmaram que esse ligante pré-organizado separaria o amerício de uma mistura de amerício e európio.

A equipe recorreu a Jansone-Popova, um especialista em sínteses totais de moléculas complexas, para gerar uma nova família de ligantes. Popovs ajudou a identificar as melhores rotas de síntese, e Dekarske, um estagiário da Agnes Scott College, fez materiais de partida. A Custelcean resolveu as estruturas cristalinas dos produtos finais.

Jansone-Popova criou a forma saturada do ligante pré-organizado - uma amida cíclica contendo um átomo de nitrogênio e um carbono com ligação dupla ao oxigênio. Em seguida, ela introduziu uma ligação dupla nesse sistema de anel de amida para criar uma forma cíclica insaturada. Em um ligante que não é pré-organizado, grupos químicos chamados piridinas estão voltados um para o outro. A introdução de uma base de nitrogênio pré-organiza o sistema para que as piridinas fiquem na mesma direção.

Os ligantes tetradentados ("quatro dentes") resultantes continham átomos que são fortemente atraídos por íons carregados positivamente e doam elétrons. Os ligantes projetados apresentam dois átomos de nitrogênio e dois átomos de oxigênio que se coordenam com o metal amerício.

No laboratório de radioquímica, experimentos mostraram que tanto os ligantes saturados quanto os insaturados se ligam fortemente ao amerício e ao európio. Contudo, apenas o ligante insaturado foi impressionantemente seletivo para amerício.

Computações revelaram que a rigidez do ligante é crucial para a seletividade.

O título do artigo é "Bis-lactam-1, 10-fenantrolina (BLPhen), um novo tipo de N misto pré-organizado, Ligante doador O que separa Am (III) em relação a Eu (III) com eficiência excepcionalmente alta. "