Naukowcy stworzyli stabilną wersję "molekuły trofeum", wymykającą się badaczom przez całe dekady, która może pomóc w produkcji czystszej energii jądrowej.

W artykule opublikowanym w czasopiśmie Science, zespół, złożony z naukowców z brytyjskich uczelni w Nottingham i Manchesterze, wykazał, że jest w stanie przygotować ostateczny azotek uranu, który jest stabilny w temperaturze pokojowej. Co więcej, naukowcy udowodnili, że związek może być przechowywany w słojach w postaci skrystalizowanej lub w formie proszku.

Badania uzyskały wsparcie z finansowanego ze środków unijnych projektu UNCLE (Uran w niekonwencjonalnych środowiskach ligandów), który otrzymał grant Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych (ERBN) dla początkujących naukowców w wysokości 999.996 EUR.

Naukowcy informują, że przełom może mieć w przyszłości implikacje dla sektora energetyki jądrowej, gdyż materiały na bazie azotku uranu mają potencjał, by zapewnić opłacalną alternatywę dla obecnych, mieszanych paliw jądrowych wykorzystywanych w reaktorach, ponieważ azotki cechują się wyższą gęstością, temperaturą topnienia i wskaźnikiem przewodzenia ciepła. Ponadto, proces zastosowany przez naukowców do stworzenia związku może zapewnić czystsze procesy w niższej temperaturze niż metody wykorzystywane obecnie.

Wcześniejsze próby przygotowania potrójnych wiązań uran-azot wymagały bardzo niskich temperatur rzędu 5 stopni Kelwina (-268 stopni Celsjusza) - z grubsza odpowiednika temperatury przestrzeni międzygwiazdowej - a przez to sprawiały trudności w pracy i manipulacji, wymagając specjalistycznego sprzętu i technik.

Azotki uranu są zazwyczaj przygotowywane poprzez zmieszanie diazotu lub amoniaku z uranem w wysokiej temperaturze i pod dużym ciśnieniem. Niestety, jednak trudne warunki reakcji występujące w toku przygotowywania powodują wprowadzanie zanieczyszczeń, które trudno usunąć - twierdzą naukowcy. W ostatnich latach naukowcy skoncentrowali się zatem na zastosowaniu niskotemperaturowych metod molekularnych, ale wszystkie poprzednie próby kończyły się produktem mostkowym, a nie docelowym, stabilnym produktem - azotkami.

Metoda wykorzystana w toku badań polega na zastosowaniu niezwykle "masywnych" ligand azotowych (molekuł organicznych związanych z metalem) do owinięcia wokół ośrodka uranu i stworzenia ochronnej przestrzeni, w której może osadzić się azotek. Azotek został ustabilizowany za pomocą syntezy w obecności słabo związanego kationu sodu (jonu naładowanego dodatnio), który zablokował reakcję azotku z innymi pierwiastkami. Na ostatnim etapie, sód został delikatnie wydobyty ze struktury, pozostawiając ostateczne, stabilne wiązanie potrójne azotku uranu.

Dr Stephen Liddle z Uniwersytetu w Nottingham zauważa: "Zaleta tej pracy polega na jej prostocie - otoczkowanie azotku uranu niezwykle masywną, nośną ligandą, stabilizacja azotku w czasie syntezy za pomocą sodu i następnie sekwestracja sodu w łagodnych warunkach umożliwiły nam w końcu wyodrębnienie ostatecznego wiązania azotku uranu".

"Główną motywacją do podjęcia tych prac było pogłębienie naszej wiedzy o charakterze i zakresie kowalencyjności w wiązaniu chemicznym uranu. To niezwykle interesujące i ważne, ponieważ może pomóc w pracach nad ekstrakcją i odseparowaniem 2% - 3% wysoce radioaktywnych materiałów z odpadów atomowych.

Profesor Eric McInnes z Uniwersytetu w Manchesterze dodaje, że spektroskopia elektronowego rezonansu paramagnetycznego (EPR) - technika wykorzystana przez zespół do badania materiałów z elektronami niesparowanymi, "może przynieść szczegółowe informacje o lokalnym środowisku elektronów niesparowanych, a to mona wykorzystać do poznania struktury elektronowej jonu uranu w tym nowy azotku".

"Okazuje się, że nowy azotek zachowuje się odmiennie od analogicznych pod innymi względami materiałów, a to może mieć istotne następstwa w chemii aktynowców, która ma decydujące znaczenie technologiczne i środowiskowe w cyklu paliwowym" - podsumowuje.

Referencje dokumentu: King, D.M., et al. (2012) Synthesis and Structure of a Terminal Uranium Nitride Complex. Science. DOI:10.1126/science.1223488. Źródło: CORDIS

Zob. też: Azotek uranu - nadzieja energetyki