Loại vật liệu khung hữu cơ kim loại này có thể thu các loại khí phóng xạ như xenon, krypton trong điều kiện nhiệt độ xung quanh, qua đó làm giảm năng lượng hao phí.

Các  công nghệ hiện hành thường loại bỏ các khí độc như xenon, krypton trong điều kiện nhiệt độ rất thấp, cần nhiều năng lượng để đạt được nhiệt độ đó. Nhưng do hoạt động được trong điều kiện nhiệt độ môi trường, loại vật liệu mới này có khả năng tiết kiệm năng lượng, qua đó giúp quá trình tái xử lý nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng trở nên sạch hơn và ít chi phí hơn.

Theo công bố trên tạp chí Nature Communications, các nhà khoa học thực nghiệm và tính toán mô phỏng đã hợp tác nghiên cứu để khám phá những đặc tính của loại vật liệu khung hữu cơ kim loại (MOFs). "Đây là một ví dụ điển hình về quá trình khám phá vật liệu được khơi nguồn từ máy tính', nhà khoa học vật liệu Praveen Thallapally, làm việc tại Phòng thí nghiệm quốc gia Tây bắc Thái Bình dương của Bộ Năng lượng Mỹ cho biết. "Thông thường các kết quả thực nghiệm vẫn có sức thuyết phục hơn so với các kết quả được thực hiện trên máy tính nhưng vào thời điểm này, các tính toán mô phỏng đem lại cho chúng tôi những kết quả mà thực nghiệm còn chưa làm được".

Giảm thiểu chất thải phóng xạ

Các nhà nghiên cứu khám phá ra những công nghệ giúp cho việc tái sử dụng nhiên liệu hạt nhân trong tương lai trở nên an toàn và hiệu quả hơn.

Để làm được công việc này, các viện nghiên cứu đa ngành cùng hợp tác nghiên cứu về vật liệu để từng bước thay thế vật liệu tái chế, một trong những bước đi này là hạn chế khả năng phát thải xenon, krypton, những loại khí được sinh ra trong quá trình tái xử lý. Để giữ lại xenon và krypton, các công nghệ hiện hành thường sử dụng các phương pháp đông lạnh để đưa các luồng khí đạt tới ngưỡng nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ làm nước đóng băng – trong đó nhiều phương pháp tiêu tốn nhiều năng lượng và chi phí cao. 

Thallapally, đã cùng với Maciej Haranczyk, Berend Smit (Phòng thí nghiệm quốc gia Mỹ Lawrence Berkeley - LBNL) và nhiều nhà khoa học khác, đã cùng nghiên cứu về những vật liệu MOFs, có khả năng giữ xenon và krypton mà không cần đến phương pháp đông lạnh.

Các vật liệu này đều chứa những lỗ trống bên trong, chỉ cho phép từng phân tử lọt qua. Vì vậy, các loại vật liệu MOFs có thể phân tách các hỗn hợp khí bằng sự hấp phụ có chọn lọc.

Để tìm ra vật liệu MOF phù hợp nhất với việc phân tách xenon và krypton, các nhà hóa học tính toán dưới sự dẫn dắt của Haranczyk và Smit đã sàng lọc ra 125.000 loại MOFs có khả năng giữ khí. Hai loại khí này đều có chứa lượng phóng xạ khác nhau và cùng nằm trong nhóm khí hiếm. Trong quá trình nghiên cứu, nhóm nghiên cứu đã sử dụng các số liệu tính toán của Trung tâm Tính toán nghiên cứu về năng lượng quốc gia (NERSC), một cơ sở nghiên cứu của Bộ Năng lượng Mỹ đặt tại LBNL.

“Với số lượng vật liệu được đề xuất, việc tìm ra vật liệu tối ưu là thách thức lớn với chúng tôi. Do đặc tính riêng biệt, mỗi loại vật liệu có thể đòi hỏi nhiều thời gian lập các cấu trúc mô phỏng, toàn bộ quá trình sàng lọc phải được thực hiện trên một siêu máy tính trong nhiều tuần lễ”, Haranczyk cho biết. “Thay vì làm điều đó, chúng tôi áp dụng một phương pháp đánh giá khả năng của mỗi loại vật liệu trên cơ sở các đặc điểm có thể tính toán mô phỏng được. Nhóm của chúng tôi đã dùng ứng dụng trong kỹ thuật học máy của Cory Simon, một nhà nghiên cứu về các mô hình toán học, các tính toán mô phỏng và học máy để nhận diện và thiết kế các loại vật liệu có lỗ nhỏ cỡ nano trên bề mặt hoặc bên trong vật liệu (nanoporous material) có khả năng hút bám để thu hồi hoặc phân tách khí. Những kỹ thuật học máy này giúp chúng tôi tăng tốc quá trình khám phá vật liệu mà không mất nhiều thời gian [thử nghiệm]”.

Những mô hình tính toán của nhóm đã xác định được SBMOF -1, một vật liệu MOF đạt được hai yêu cầu: bẫy được xenon và có lỗ gần với kích thước của một nguyên tử xenon. Sau đó, loại vật liệu MOF này đã được kiểm tra tại phòng thí nghiệm của PNNL.

Mô hình phân tử SBMOF -1, loại vật liệu mới có khả năng bắt đươc khí xenon và kryton.

Sau khi tối ưu quá trình chuẩn bị của SBMOF -1, Thallapally và cộng sự tại PNNL kiểm tra vật liệu bằng việc thổi một hỗn hợp khí qua nó – bao gồm dạng không phóng xạ của xenon và kryton – và đo đạc kết quả của quá trình đó. Các khí oxy, heli, nitơ, krypton và CO2 đều có thể lọt qua trong khi xenon vẫn bị giữ ở lại. Dấu hiệu này chứng tỏ rằng, xenon vẫn có khả năng bị mắc lại trong các lỗ của SBMOF -1 khi vật liệu này bị xenon bão hòa.

Các kiểm tra khác cũng cho thấy SBMOF -1 có khả năng lưu giữ được krypton. Trong suốt quá trình phân tách, các nhà nghiên cứu có thể đưa những luồng khí đi qua vật liệu SBMOF -1 hai lần để giữ cả krypton và xenon.

Nhóm nghiên cứu cũng kiểm tra khả năng lưu giữ xenon của SBMOF -1 trong điều kiện độ ẩm cao. Độ ẩm liên quan đến quá trình đông lạnh và các loại khí có thể bị khử nước trước khi được đưa vào quá trình sử dụng phương pháp siêu lạnh ở nhiệt độ không tuyệt đối. Đáng ngạc nhiên là SBMOF -1 vẫn lưu giữ được hơn 85% số lượng xenon trong điều kiện độ ẩm cao tương tự như trong điều kiện độ ẩm cực thấp. 

Bước cuối cùng trong việc lưu giữ xenon hay krypton là đặt vật liệu MOF này vào môi trường chân không, nơi có thể rút khí khỏi các phân tử để bảo quản an toàn. Thử nghiệm cuối cùng là kiểm tra tính ổn định bằng cách lặp đi lặp lại việc hút và loại xenon khỏi vật liệu. Sau 10 lần thử nghiệm, kết quả cho thấy SBMOF -1 hút xenon nhiều nhất ở lần đầu tiên, báo hiệu khả năng chịu được nhiệt độ cao một cách ổn định trong thời gian dài.

Tìm kiếm mô hình

Mặc dù các nhà nghiên cứu đã chỉ ra SBMOF-1 là một ứng viên sáng giá giúp tái sử dụng nhiên liệu hạt nhân, nhưng nó chưa thực sự tối ưu. Trong phòng thí nghiệm, người ta cần kích hoạt SBMOF-1 bằng cách nung nóng tới 3000 C.

Việc kích hoạt SBMOF-1 từ MOF trong phòng thí nghiệm không cho kết quả như mong đợi mà kết quả thu được lại từ mô hình giả lập trên máy tính.

Các nhà nghiên cứu tại PNNL lập lại các thử nghiệm với SBMOF-1 ở nhiệt độ thấp hơn, 1000C (nhiệt độ sôi của nước) khi đó hoạt động của SBMOF-1 tốt hơn rất nhiều so với kích hoạt ở nhiệt độ cao.

Nhưng tại sao lại có sự khác biệt đó? Và điều gì đã diễn ra khi kích hoạt SBMOF-1 ở 3000. Thật bất ngờ, nguyên nhân chính là từ các lỗ trống trong cấu trúc của SBMOF-1.

Khi chúng ta làm nóng tinh thể, một phần của các nguyên tử sẽ bị giữ lại trong các lỗ trống. Thallapally nói, "nguyên tử xenon là không phù hợp".