Study on the Extraction and Coordination Properties of U(VI) with Four Asymmetric Diglycolamides
इस अध्ययन ने चार असममित डिग्लाइकोलामाइड्स (diglycolamides) का संश्लेषण किया और प्रयोगात्मक एवं डीएफटी (DFT) विश्लेषणों के माध्यम से यह प्रदर्शित किया कि छोटे और α-स्थित एल्काइल शाखाओं वाले लिगेंड्स, विशेष रूप से L1, इलेक्ट्रोस्टैटिक और आंशिक सहसंयोजक अंतःक्रियाओं के माध्यम से 1:1 या 2:1 संकुल (complexes) बनाकर नाइट्रिक एसिड प्रणालियों में U(VI) के लिए बेहतर निष्कर्षण दक्षता प्रदर्शित करते हैं।
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परमाणु ऊर्जा कम-कार्बन ऊर्जा का एक मार्ग प्रदान करती है, लेकिन यह अपने पीछे एक कठिन विरासत छोड़ देती है: प्रयुक्त ईंधन जो हजारों वर्षों तक खतरनाक रूप से रेडियोधर्मी बना रहता है। इस कचरे को सुरक्षित रूप से प्रबंधित करने के लिए, वैज्ञानिकों को सबसे खतरनाक घटकों को बाकी हिस्सों से अलग करना होता है, एक ऐसी प्रक्रिया जिसमें अक्सर कचरे को एसिड में घोलना और विशिष्ट तत्वों को बाहर निकालने के लिए विशेष तरल पदार्थों का उपयोग करना शामिल होता है। इस कार्य के लिए सबसे आशाजनक उपकरणों में से एक 'डिग्लाइकोलामाइड्स' (diglycolamides) नामक अणुओं का एक वर्ग है। ये अणु छोटे, लचीले हुक की तरह कार्य करते हैं जो यूरेनियम जैसे भारी धातु परमाणुओं को पकड़ सकते हैं और उन्हें अम्लीय पानी से खींचकर एक तेल जैसे घोल में ले जा सकते हैं। हालांकि, इन हुकों के मानक संस्करण कभी-कभी इस तरह से आपस में जुड़ जाते हैं जिससे मिश्रण में एक गाढ़ा, अस्थिर तीसरा स्तर बन जाता है, जो मशीनरी को जाम कर सकता है और सुरक्षा जोखिम पैदा कर सकता है। इसे हल करने के लिए, शोधकर्ता इन अणुओं के विभिन्न आकार और आकार के नए संस्करणों को डिजाइन कर रहे हैं, इस उम्मीद में कि उन्हें एक ऐसा हुक मिल सके जो धातु को मजबूती से पकड़े बिना मिश्रण को टूटने का कारण न बने।
हारबिन इंजीनियरिंग यूनिवर्सिटी और चाइना इंस्टीट्यूट ऑफ एटॉमिक एनर्जी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इन आणविक हुकों के चार विशिष्ट नए डिजाइनों का परीक्षण करने का निर्णय लिया। उन्होंने एक असममित डिग्लाइकोलामाइड का चार थोड़े अलग संस्करण बनाए, जहाँ अणु की मुख्य संरचना से जुड़ी भुजाएं एक समान नहीं होती हैं। उनके चार डिजाइनों के बीच मुख्य अंतर अणु की भुजाओं पर लगे छोटे कार्बन शाखाओं (branches) की स्थिति में था। दो डिजाइनों में, ये शाखाएं मुख्य जुड़ाव बिंदु के ठीक बगल में जुड़ी थीं, जबकि अन्य दो में, वे एक कदम और दूर जुड़ी थीं। शोधकर्ता यह देखना चाहते थे कि यूरेनियम को नाइट्रिक एसिड के घोल से बाहर निकालने के लिए कौन सा आकार सबसे अच्छा काम करता है, जो परमाणु अपशिष्ट प्रसंस्करण की एक सामान्य स्थिति है। उन्होंने इन नए अणुओं को यूरेनियम युक्त पानी के साथ मिलाया और विभिन्न स्थितियों, जैसे कि बदलती अम्लता, मिश्रण के समय और तापमान के तहत देखा कि कितना यूरेनियम तेल की परत में स्थानांतरित हुआ।
प्रयोगों से पता चला कि चारों अणु यूरेनियम निकालने में प्रभावी थे, लेकिन उनका प्रदर्शन समान नहीं था। वह अणु जिसकी कार्बन शाखाएं मुख्य जुड़ाव बिंदु के सबसे करीब जुड़ी थीं, जिसे L1 के रूप में जाना जाता है, सबसे कुशल सिद्ध हुआ। इसने अन्य तीन संस्करणों की तुलना में यूरेनियम को पानी से अधिक तेजी से और अधिक पूर्णता से बाहर निकाला। शोधकर्ताओं ने पाया कि निष्कर्षण प्रक्रिया बहुत तेजी से हुई, और सबसे अच्छे प्रदर्शन करने वालों के लिए लगभग पांच मिनट में स्थिर अवस्था तक पहुँच गई। उन्होंने यह भी पाया कि प्रक्रिया तब बेहतर काम करती है जब पानी में एसिड अधिक मजबूत हो और जब निष्कर्षण करने वाले अणु की मात्रा अधिक हो। हालांकि, जैसे-जैसे तापमान बढ़ता गया, प्रक्रिया कम प्रभावी होती गई, जिससे पता चलता है कि रासायनिक प्रतिक्रिया ऊष्मा छोड़ती है। डेटा का विश्लेषण करके, टीम ने निर्धारित किया कि यूरेनियम परमाणुओं ने या तो एक या दो इन अणुओं के साथ साझेदारी की, जिससे स्थिर कॉम्प्लेक्स (complexes) बने जिन्हें कचरे से अलग किया जा सकता था।
यह समझने के लिए कि पहला अणु अन्य की तुलना में इतना बेहतर क्यों था, टीम ने इलेक्ट्रॉनों और परमाणु बंधों की अदृश्य दुनिया को देखने के लिए कंप्यूटर सिमुलेशन का सहारा लिया। उन्होंने अणुओं और यूरेनियम परमाणुओं के डिजिटल मॉडल बनाए ताकि देख सकें कि वे एक-दूसरे में कैसे फिट होते हैं। सिमुलेशन ने दिखाया कि यूरेनियम परमाणु प्रत्येक अणु पर तीन विशिष्ट ऑक्सीजन परमाणुओं से जुड़ता है: दो एमाइड समूहों से और केंद्र में ईथर समूह से एक। मॉडलों ने पुष्टि की कि दो एमाइड ऑक्सीजन परमाणु संपर्क के सबसे मजबूत बिंदु हैं, जो यूरेनियम को केंद्रीय ऑक्सीजन की तुलना में अधिक मजबूती से थामते हैं। महत्वपूर्ण रूप से, सिमुलेशन ने खुलासा किया कि जुड़ाव बिंदु के सबसे करीब शाखाओं वाले अणु ने यूरेनियम पर अधिक मजबूत पकड़ बनाई। ऐसा इसलिए है क्योंकि वे शाखाएं उन ऑक्सीजन परमाणुओं की ओर इलेक्ट्रॉनों को धकेलती हैं, जिससे वे धनावेशित यूरेनियम के लिए अधिक आकर्षक बन जाते हैं। इसके विपरीत, दूर शाखाओं वाले अणुओं का खिंचाव कमजोर था।
अध्ययन ने निष्कर्ष निकाला कि अणु का आकार उसके प्रदर्शन के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है। सबसे सफल अणु वह था जिसकी छोटी, कम भारी शाखाएं सीधे मुख्य जुड़ाव बिंदु के पास स्थित थीं। इस विशिष्ट व्यवस्था ने यूरेनियम परमाणु के आसपास भौतिक भीड़ को कम किया और साथ ही इलेक्ट्रॉन प्रभावों के माध्यम से रासायनिक बंधन को मजबूत किया। शोधकर्ताओं ने पाया कि अणु और यूरेनियम के बीच का बंधन एक साधारण लॉक-एंड-की (lock-and-key) फिट नहीं था, बल्कि इसमें विद्युत आकर्षण और इलेक्ट्रॉनों के हल्के साझाकरण का मिश्रण शामिल था। यह सिद्ध करके कि छोटे कार्बन शाखाओं की स्थिति बंधन की मजबूती को निर्धारित करती है, यह कार्य बेहतर परमाणु अपशिष्ट सफाई उपकरण डिजाइन करने के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है। यह सुझाव देता है कि भविष्य के अणुओं को इन विशिष्ट छोटी, निकट-दूरी वाली शाखाओं के साथ बनाया जाना चाहिए ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि वे अस्थिर परतें बनाने के जोखिम के बिना यूरेनियम को कुशलतापूर्वक अलग कर सकें, जो परमाणु युग के जटिल कचरे के प्रबंधन की दिशा में एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है।
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