Fuente: PhotoXpress.
Tras décadas de infructuosos intentos por parte de la comunidad científica, un equipo de investigadores ha logrado por fin crear una versión estable de una “molécula trofeo” que podría llevar a la producción de energía nuclear más limpia.
En un artículo publicado en la revista Science, los miembros del equipo, formado por científicos de las universidades de Nottingham y Manchester (en el Reino Unido), anunciaron que pueden preparar un compuesto de nitruro de uranio terminal que es estable a temperatura ambiente.
Por otra parte, los científicos han demostrado que este compuesto puede almacenarse en frascos en forma cristalizada o en polvo.
El presente estudio ha sido apoyado en parte por el proyecto financiado por la Unión Europea UNCLE (“El uranio en entornos de ligando no clásicos”), que recibió una subvención de inicio (Starting Grant) de 999.996 euros del Consejo Europeo de Investigación (CEI).
Los investigadores argumentan que el avance alcanzado podría tener implicaciones futuras para la industria de la energía nuclear, ya que los materiales de nitruro de uranio podrían suponer una alternativa viable a los actuales combustibles nucleares de óxidos mixtos utilizados en los reactores nucleares.
De hecho, los materiales de nitruro de uranio superan las prestaciones de los combustibles nucleares en lo que a alta densidad, punto de fusión y conductividad térmica se refiere.
Además, el proceso empleado por los científicos para fabricar el compuesto podría facilitar una ruta más limpia y a menor temperatura que los métodos que se emplean actualmente.
En un artículo publicado en la revista Science, los miembros del equipo, formado por científicos de las universidades de Nottingham y Manchester (en el Reino Unido), anunciaron que pueden preparar un compuesto de nitruro de uranio terminal que es estable a temperatura ambiente.
Por otra parte, los científicos han demostrado que este compuesto puede almacenarse en frascos en forma cristalizada o en polvo.
El presente estudio ha sido apoyado en parte por el proyecto financiado por la Unión Europea UNCLE (“El uranio en entornos de ligando no clásicos”), que recibió una subvención de inicio (Starting Grant) de 999.996 euros del Consejo Europeo de Investigación (CEI).
Los investigadores argumentan que el avance alcanzado podría tener implicaciones futuras para la industria de la energía nuclear, ya que los materiales de nitruro de uranio podrían suponer una alternativa viable a los actuales combustibles nucleares de óxidos mixtos utilizados en los reactores nucleares.
De hecho, los materiales de nitruro de uranio superan las prestaciones de los combustibles nucleares en lo que a alta densidad, punto de fusión y conductividad térmica se refiere.
Además, el proceso empleado por los científicos para fabricar el compuesto podría facilitar una ruta más limpia y a menor temperatura que los métodos que se emplean actualmente.
Superación de los obstáculos de producción
Intentos anteriores para preparar compuestos de uranio y nitrógeno de triple enlace habían requerido temperaturas tan bajas como cinco grados Kelvin (-268 ºC), aproximadamente equivalente a la temperatura del espacio interestelar; por ello había sido difícil trabajar con ellos y manipularlos, ya que requerían equipos y técnicas especializados.
Los nitruros de uranio se preparan habitualmente mezclando dinitrógeno o amoníaco con uranio en condiciones de altas temperaturas y presiones.
Según los investigadores, el problema de dicho procedimiento radica en que las condiciones de reacción tan severas necesarias para la preparación del compuesto generan impurezas que luego son difíciles de eliminar.
En los últimos años, por lo tanto, los científicos han centrado su atención en el uso de métodos moleculares a bajas temperaturas; pero todos los intentos anteriores obtuvieron como resultado complejos con ligandos puente, en lugar de los productos terminales deseados, es decir, nitruros.
El método utilizado en este estudio implica la utilización de un ligando (una molécula orgánica enlazada a un metal) nitrógeno muy “voluminoso”, que envuelve el centro de uranio, creando así una bolsa de protección en la que puede asentarse el nitrógeno de nitruro.
La estabilización del nitruro durante la síntesis pudo realizarse gracias a la presencia de un catión (ión con carga positiva) sodio débilmente enlazado que, al bloquear el nitruro, impide que éste reaccione con otros elementos.
En la etapa final, el sodio se eliminaba suavemente, sacándolo de la estructura, lo que hizo posible obtener como producto final nitruro de uranio estable de triple enlace.
Belleza y simplicidad
El doctor Stephen Liddle de la Universidad de Nottingham comentó: “La belleza de este trabajo reside en su simplicidad: al encapsular el nitruro de uranio con un ligando muy voluminoso de apoyo, estabilizar el nitruro durante la síntesis con sodio y, a continuación, secuestrar dicho sodio en condiciones suaves, por fin conseguimos aislar el enlace del nitruro de uranio terminal”.
“Una gran motivación para hacer este trabajo radicó en que nos ayudaba a comprender la naturaleza y el alcance de la covalencia en el enlace químico del uranio. Esto es esencialmente interesante e importante, porque podría ayudar en el trabajo de extraer y separar el 2-3 % del material altamente radiactivo de los residuos nucleares”.
El profesor Eric McInnes de la Universidad de Manchester agregó que la espectroscopia de resonancia paramagnética electrónica (EPR), que fue la técnica utilizada por los miembros del equipo para estudiar los materiales con electrones no apareados: “puede facilitar información detallada sobre el entorno local de los electrones no apareados, lo que podría ayudar a entender la estructura electrónica de los iones de uranio en este nuevo nitruro”.
“Resulta que el nuevo nitruro se comporta de manera diferente a algunos materiales que, por lo demás, son análogos; y esto podría tener implicaciones importantes en la química de los actínidos, que es de vital importancia tecnológica y ambiental para el ciclo del combustible nuclear”, concluyó McInnes.
Intentos anteriores para preparar compuestos de uranio y nitrógeno de triple enlace habían requerido temperaturas tan bajas como cinco grados Kelvin (-268 ºC), aproximadamente equivalente a la temperatura del espacio interestelar; por ello había sido difícil trabajar con ellos y manipularlos, ya que requerían equipos y técnicas especializados.
Los nitruros de uranio se preparan habitualmente mezclando dinitrógeno o amoníaco con uranio en condiciones de altas temperaturas y presiones.
Según los investigadores, el problema de dicho procedimiento radica en que las condiciones de reacción tan severas necesarias para la preparación del compuesto generan impurezas que luego son difíciles de eliminar.
En los últimos años, por lo tanto, los científicos han centrado su atención en el uso de métodos moleculares a bajas temperaturas; pero todos los intentos anteriores obtuvieron como resultado complejos con ligandos puente, en lugar de los productos terminales deseados, es decir, nitruros.
El método utilizado en este estudio implica la utilización de un ligando (una molécula orgánica enlazada a un metal) nitrógeno muy “voluminoso”, que envuelve el centro de uranio, creando así una bolsa de protección en la que puede asentarse el nitrógeno de nitruro.
La estabilización del nitruro durante la síntesis pudo realizarse gracias a la presencia de un catión (ión con carga positiva) sodio débilmente enlazado que, al bloquear el nitruro, impide que éste reaccione con otros elementos.
En la etapa final, el sodio se eliminaba suavemente, sacándolo de la estructura, lo que hizo posible obtener como producto final nitruro de uranio estable de triple enlace.
Belleza y simplicidad
El doctor Stephen Liddle de la Universidad de Nottingham comentó: “La belleza de este trabajo reside en su simplicidad: al encapsular el nitruro de uranio con un ligando muy voluminoso de apoyo, estabilizar el nitruro durante la síntesis con sodio y, a continuación, secuestrar dicho sodio en condiciones suaves, por fin conseguimos aislar el enlace del nitruro de uranio terminal”.
“Una gran motivación para hacer este trabajo radicó en que nos ayudaba a comprender la naturaleza y el alcance de la covalencia en el enlace químico del uranio. Esto es esencialmente interesante e importante, porque podría ayudar en el trabajo de extraer y separar el 2-3 % del material altamente radiactivo de los residuos nucleares”.
El profesor Eric McInnes de la Universidad de Manchester agregó que la espectroscopia de resonancia paramagnética electrónica (EPR), que fue la técnica utilizada por los miembros del equipo para estudiar los materiales con electrones no apareados: “puede facilitar información detallada sobre el entorno local de los electrones no apareados, lo que podría ayudar a entender la estructura electrónica de los iones de uranio en este nuevo nitruro”.
“Resulta que el nuevo nitruro se comporta de manera diferente a algunos materiales que, por lo demás, son análogos; y esto podría tener implicaciones importantes en la química de los actínidos, que es de vital importancia tecnológica y ambiental para el ciclo del combustible nuclear”, concluyó McInnes.
Referencia bibliográfica
King, D.M., et al. (2012) Synthesis and Structure of a Terminal Uranium Nitride Complex. Science. DOI:10.1126/science.1223488.
King, D.M., et al. (2012) Synthesis and Structure of a Terminal Uranium Nitride Complex. Science. DOI:10.1126/science.1223488.