Study on the Extraction and Coordination Properties of U(VI) with Four Asymmetric Diglycolamides

توفر الطاقة النووية مساراً نحو طاقة منخفضة الكربون، لكنها تترك وراءها إرثاً صعباً: وقوداً مستنفداً يظل مشعاً بشكل خطير لآلاف السنين. ولإدارة هذه النفايات بأمان، يجب على العلماء فصل المكونات الأكثر خطورة عن بقية العناصر، وهي عملية تتضمن غالباً إذابة النفايات في حمض واستخدام سوائل خاصة لاستخراج عناصر محددة. وتعد فئة من الجزيئات تسمى "الديجليكولاميدات" (diglycolamides) واحدة من أكثر الأدوات واعدة لهذه المهمة؛ إذ تعمل هذه الجزيئات مثل خطافات صغيرة ومرنة يمكنها الإمساك بذرات المعادن الثقيلة، مثل اليورانيوم، وسحبها من الماء الحمضي إلى محلول يشبه الزيت. ومع ذلك، فإن النسخ القياسية من هذه الخطافات تتكتل أحياناً بطريقة تؤدي إلى تكوين طبقة ثالثة سميكة وغير مستقرة في الخليط، مما قد يؤدي إلى انسداد الآلات وخلق مخاطر سلامة. ولحل هذه المشكلة، يصمم الباحثون نسخاً جديدة من هذه الجزيئات بأشكال وأحجام مختلفة، آملين في العثور على خطاف يمسك بالمعدن بإحكام دون أن يتسبب في تفكك الخليط.

وضع فريق من الباحثين في جامعة هاربين للهندسة والمعهد الصيني للطاقة الذرية هدفاً لاختبار أربعة تصميمات محددة لهذه الخطافات الجزيئية الجديدة. فقد ابتكروا أربع نسخ مختلفة قليلاً من "ديجليكولاميد غير متماثل"، وهو جزيء تكون فيه الأذرع المتصلة بالهيكل المركزي غير متطابقة. ويكمن الفرق الرئيسي بين تصميماتهم الأربعة في موضع الفروع الكربونية الصغيرة على أذرع الجزيء. ففي تصميمين، كانت هذه الفروع متصلة مباشرة بجانب نقطة الاتصال الرئيسية، بينما في التصميمين الآخرين، كانت متصلة في خطوة أبعد. أراد الباحثون معرفة أي شكل يعمل بشكل أفضل في سحب اليورانيوم من محلول حمض النيتريك، وهو ظرف شائع في معالجة النفايات النووية. فقاموا بخلط هذه الجزيئات الجديدة مع ماء يحتوي على اليورانيوم وراقبوا كمية اليورانيوم التي تنتقل إلى الطبقة الزيتية تحت ظروف مختلفة، مثل تغير الحموضة، ومدة الخلط، ودرجة الحرارة.

كشفت التجارب أن جميع الجزيئات الأربعة كانت فعالة في استخراج اليورانيوم، لكن أداءها لم يكن متساوياً. فقد ثبت أن الجزيء الذي ترتبط فيه الفروع الكربونية بأقرب نقطة من الاتصال الرئيسي، والمعروف باسم L1، هو الأكثر كفاءة؛ حيث سحب اليورانيوم من الماء بشكل أسرع وأكثر اكتمالاً من النسخ الثلاث الأخرى. ووجد الباحثون أن عملية الاستخراج تمت بسرعة كبيرة، حيث وصلت إلى حالة الاستقرار في حوالي خمس دقائق لأفضل النسخ أداءً. كما اكتشفوا أن العملية تعمل بشكل أفضل عندما يكون الحمض في الماء أقوى وعند وجود كمية أكبر من الجزيء المستخلص. ومع ذلك، أصبحت العملية أقل فعالية مع ارتفاع درجة الحرارة، مما يشير إلى أن التفاعل الكيميائي يطلق حرارة. ومن خلال تحليل البيانات، حدد الفريق أن ذرات اليورانيوم شكلت شراكات مع واحد أو اثنين من هذه الجزيئات، مما خلق مركبات مستقرة يمكن فصلها عن النفايات.

ولفهم سبب تفوق الجزيء الأول بهذا القدر، لجأ الفريق إلى المحاكاة الحاسوبية للنظر في العالم غير المرئي للإلكترونات والروابط الذرية. فقد بنوا نماذج رقمية للجزيئات وذرات اليورانيوم لرؤية كيفية توافقها معاً. وأظهرت عمليات المحاكاة أن ذرة اليورانيوم تلتصق بثلاث ذرات أكسجين محددة من كل جزيء: اثنتان من مجموعات الأميد وواحدة من مجموعة الإيثر في المركز. وأكدت النماذج أن ذرتي أكسجين الأميد هما أقوى نقاط التلامس، حيث تمسكان باليورانيوم بإحكام أكثر من الأكسجين المركزي. والأهم من ذلك، كشفت المحاكاة أن الجزيء الذي يحتوي على الفروع الأقرب إلى نقطة الاتصال يخلق قبضة أقوى على اليورانيوم؛ وذلك لأن موضع تلك الفروع يدفع الإلكترونات نحو ذرات الأكسجين، مما يجعلها أكثر جاذبية لليورانيوم ذي الشحنة الموجبة. وفي المقابل، كان للجزيئات ذات الفروع الأبعد قوة جذب أضعف.

خلصت الدراسة إلى أن شكل الجزيء يؤثر بعمق على أدائه. فالجزيء الأكثر نجاحاً هو ذلك الذي يتميز بفروع أقصر وأقل ضخامة تقع بجوار نقطة الاتصال الرئيسية مباشرة. هذا الترتيب المحدد قلل من الازدحام الفيزيائي حول ذرة اليورانيوم وفي الوقت نفسه عزز الرابطة الكيميائية من خلال التأثيرات الإلكترونية. ووجد الباحثون أن الرابطة بين الجزيء واليورانيوم لم تكن مجرد ملاءمة بسيطة بين "القفل والمفتاح"، بل تضمنت مزيجاً من التجاذب الكهربائي ومشاركة طفيفة للإلكترونات. ومن خلال إثبات أن موضع الفروع الكربونية الصغيرة هو ما يحدد قوة الرابطة، يوفر هذا العمل دليلاً واضحاً لتصميم أدوات أفضل لتنظيف النفايات النووية. وهو يشير إلى أن الجزيئات المستقبلية يجب أن تُبنى بهذه الفروع القصيرة والقريبة لضمان قدرتها على فصل اليورانيوم بكفاءة دون خطر تشكيل طبقات غير مستقرة، مما يوفر مساراً أوضح لإدارة النفايات المعقدة للعصر النووي.