Cinquenta anos atrás, os cientistas descobriram o que pensaram ser o próximo combustível de foguete. Carboranos - moléculas compostas de boro, átomos de carbono e hidrogênio agrupados em formas tridimensionais - eram vistos como a possível base para propelentes de próxima geração devido à sua capacidade de liberar grandes quantidades de energia quando queimados.

Era uma tecnologia que na época tinha o potencial de aumentar ou mesmo superar o combustível de foguete de hidrocarboneto tradicional, e foi objeto de pesados ​​investimentos nas décadas de 1950 e 1960.

Mas as coisas não saíram como o esperado.

"Acontece que quando você queima essas coisas, você na verdade forma uma grande quantidade de sedimentos, "disse Gabriel Ménard, um professor assistente no Departamento de Química e Bioquímica da UC Santa Bárbara. Além de outros problemas encontrados ao queimar este chamado "combustível zip, "seu resíduo também atrapalhou o funcionamento dos motores de foguete, e assim o projeto foi descartado.

"Então, eles fizeram esses enormes estoques desses compostos, mas eles realmente nunca os usaram, "Ménard disse.

Avançando para hoje, e esses compostos voltaram à moda com uma ampla gama de aplicações, da medicina à engenharia em nanoescala. Para Ménard e colega professor de química da UCSB Trevor Hayton, bem como o professor de química Roman Dobrovetsky da Universidade de Tel Aviv, os carboranos podem ser a chave para uma extração mais eficiente de íons de urânio. E essa, por sua vez, poderia permitir coisas como melhor reprocessamento de lixo nuclear e recuperação de urânio (e outros metais) da água do mar.

A pesquisa deles - o primeiro exemplo de aplicação de processos eletroquímicos de carborano à extração de urânio - foi publicada em um artigo (link) que aparece no jornal Natureza .

A chave para esta tecnologia é a versatilidade da molécula do cluster. Dependendo de suas composições, essas estruturas podem se assemelhar a gaiolas fechadas, ou mais ninhos abertos, devido ao controle da atividade redox do composto - sua prontidão para doar ou ganhar elétrons. Isso permite a captura e liberação controlada de íons metálicos, que neste estudo foi aplicado a íons de urânio.

"O grande avanço aqui é a estratégia de 'pegar e soltar', em que você pode alternar entre dois estados, onde um estado liga o metal e outro estado libera o metal, "Hayton disse.

Processos convencionais, como o popular processo PUREX que extrai plutônio e urânio, dependem fortemente de solventes, extratores e processamento extensivo.

"Basicamente, você poderia dizer que é um desperdício, "Ménard disse." No nosso caso, podemos fazer isso eletroquimicamente - podemos capturar e liberar o urânio com o toque de um botão.

"O que realmente acontece, "acrescentou Ménard, "é que a gaiola se abre." Especificamente, o orto-carborano anteriormente fechado torna-se um nido- ("ninho") carborano aberto capaz de capturar o íon de urânio carregado positivamente.

Convencionalmente, a liberação controlada de íons de urânio extraídos, Contudo, não é tão simples e pode ser um tanto confuso. De acordo com os pesquisadores, tais métodos são "menos estabelecidos e podem ser difíceis, caro e / ou destrutivo para o material inicial. "

Mas aqui, os pesquisadores desenvolveram uma maneira confiável e eficiente de alternar entre carboranos abertos e fechados, usando eletricidade. Ao aplicar um potencial elétrico usando um eletrodo mergulhado na porção orgânica de um sistema bifásico, os carboranos podem receber e doar os elétrons necessários para abrir e fechar e capturar e liberar urânio, respectivamente.

"Basicamente, você pode abri-lo, capturar urânio, feche-o novamente e libere o urânio, "Ménard disse. As moléculas podem ser usadas várias vezes, ele adicionou.

Esta tecnologia pode ser utilizada para diversas aplicações que requerem a extração de urânio e, por extensão, outros íons metálicos. Uma área é o reprocessamento nuclear, em que o urânio e outros elementos "trans urânio" radioativos são extraídos do material nuclear usado para armazenamento e reutilização (o processo PUREX).

"O problema é que esses elementos transurânio são muito radioativos e precisamos ser capazes de armazená-los por muito tempo porque são basicamente muito perigosos, "Disse Ménard. Este método eletroquímico pode permitir a separação do urânio do plutônio, semelhante ao processo PUREX, ele explicou. O urânio extraído poderia então ser enriquecido e colocado de volta no reator; os outros resíduos de alto nível podem ser transmutados para reduzir sua radioatividade.

Adicionalmente, o processo eletroquímico também pode ser aplicado à extração de urânio da água do mar, o que aliviaria a pressão sobre as minas terrestres onde todo o urânio é atualmente adquirido.

"Há cerca de mil vezes mais urânio dissolvido nos oceanos do que em todas as minas terrestres, "Ménard disse. Da mesma forma, o lítio - outro metal valioso que existe em grandes reservas na água do mar - poderia ser extraído desta forma, e os pesquisadores planejam levar essa direção de pesquisa em um futuro próximo.

"Isso nos dá outra ferramenta na caixa de ferramentas para manipular íons de metal e processar lixo nuclear ou fazer a captura de metal dos oceanos, Hayton disse. "É uma nova estratégia e um novo método para alcançar esses tipos de transformações."

A pesquisa neste estudo foi conduzida também por Megan Keener (autora principal), Camden Hunt e Timothy G. Carroll na UCSB; e por Vladimir Kampel na Universidade de Tel Aviv.