老分子，新花样

50年前，科学家们偶然发现了他们认为可能成为下一个火箭燃料的东西。碳硼烷——由硼、碳和氢原子组成的分子以三维形状聚集在一起——被认为是下一代推进剂的可能基础，因为它们在燃烧时能够释放大量的能量。

当时的技术有可能增加甚至超过传统的碳氢化合物火箭燃料，并在20世纪50年代和60年代成为大量投资的对象。

但事情并没有像预期的那样发展。

加州大学圣巴巴拉分校化学和生物化学系的助理教授加布里埃尔·梅纳德(Gabriel Menard)说:“事实证明，当你燃烧这些东西的时候，实际上会形成很多沉积物。”除了在燃烧这种所谓的“压缩燃料”时发现的其他问题外，它的残留物也使火箭发动机的工作变得一团糟，所以这个项目被取消了。

Menard说:“所以他们制造了大量的这种化合物，但实际上他们从未使用过。”

快进到今天，这些化合物又重新流行起来，应用范围很广，从医学到纳米工程。对于Menard和UCSB的化学教授Trevor Hayton，以及特拉维夫大学的化学教授Roman Dobrovetsky来说，碳硼烷可能是更有效提取铀离子的关键。而这反过来又会使诸如核废料再处理和从海水中回收铀(和其他金属)等事情成为可能。

他们的研究——电化学碳硼烷萃取铀的第一个例子——发表在《自然》杂志上。

这项技术的关键是簇分子的通用性。根据它们的组成，这些结构可能类似于封闭的笼子，也可能更像开放的巢穴，这是由于控制了化合物的氧化还原活性——它随时准备贡献或获得电子。这允许控制捕获和释放金属离子，这在本研究中被应用于铀离子。

Hayton说:“最大的进步是这种‘抓了放’的策略，你可以在两种状态之间切换，一种状态绑定金属，另一种状态释放金属。”

传统工艺，如提取钚和铀的流行的PUREX工艺，严重依赖溶剂、萃取剂和广泛的加工。

“基本上，你可以说这是一种浪费，”梅纳德说。“在我们的研究中，我们可以通过电化学的方法来做到这一点——我们可以通过开关的翻转来捕获和释放铀。

“实际情况是，”梅纳德补充道，“笼子打开了。具体来说，原来封闭的邻碳硼烷变成了一个开放的nido-(“nest”)碳硼烷，能够捕获带正电荷的铀离子。

然而，按照惯例，提取的铀离子的控制释放并不是那么简单，而且可能会有些混乱。根据研究人员的说法，这种方法“不太成熟，而且可能很困难、很昂贵，或者对原始材料有破坏性。”

但在这里，研究人员已经设计出一种可靠而有效的方法，利用电力在打开和关闭的碳硼烷之间来回翻转。通过使用浸在双相系统有机部分的电极施加电势，碳硼烷可以分别接收和释放打开和关闭所需的电子，并捕获和释放铀。

梅纳德说:“基本上，你可以把它打开，收集铀，再把它关闭，然后释放铀。”这些分子可以重复使用，他补充说。

这项技术可以应用于几个需要提取铀和其他金属离子的领域。一个领域是核后处理，即从核废料中提取铀和其他放射性“反铀”元素以供储存和再使用(普莱克斯法)。

他说:“问题是，这些反式铀元素具有很强的放射性，我们需要把它们储存很长时间，因为它们基本上是非常危险的。”他解释说，这种电化学方法可以使铀从钚中分离出来，类似于普雷克斯法。提取的铀可以被浓缩，然后放回反应堆;其他高放射性废物可以被转化以减少它们的放射性。

此外，电化学过程也可以用于从海水中提取铀，这将缓解目前所有铀来源的陆地矿山的压力。

“海洋中溶解的铀大约是所有地雷中溶解的铀的一千倍，”Menard说。同样，锂——另一种存在于海水中大量储量的贵重金属——也可以用这种方法提取，研究人员计划在不久的将来研究这个方向。

海顿说:“这为我们提供了另一种工具，可以操纵金属离子，处理核废料，或从海洋中捕获金属。”“这是实现这类转变的新战略和新方法。”

这项研究也由梅根·基纳(第一作者)、卡姆登·亨特和蒂莫西·g·卡罗尔在UCSB进行;特拉维夫大学(Tel Aviv University)的弗拉基米尔·坎佩尔(Vladimir Kampel)。