Китайские ученые создали «хищный» материал, который сам преследует уран в воде

Международная исследовательская группа, базирующаяся в Китае, разработала микроскопический материал, который ведет себя как миниатюрный хищник: он сам передвигается в водной среде, «вынюхивает» и улавливает урановые ионы. Открытие имеет потенциал изменить подход к добыче ядерного топлива из морской воды и к очистке от радиоактивно загрязненных водоемов.

«Микромотор», который охотится на уран

Новый материал представляет собой микромотор на основе металл-органической рамки (МОК), приводимый в движение светом. Он разработан в Цинхайском институте соленых озер при Китайской академии наук и принят к публикации 24 марта в рецензируемом журнале «Nano Research». Частицы имеют губчатую структуру и диаметр всего около 2 микрометров – многократно тоньше человеческого волоса – и спроектированы для стабильной работы в воде в течение длительных периодов.

При добавлении небольшого количества перекиси водорода эти микрочастицы генерируют тягу и передвигаются в воде со скоростью приблизительно 7 микрометров в секунду. Под воздействием света скорость их почти удваивается, что дает микромоторам дополнительный «солнечный» толчок. В лабораторных условиях они поглощали до 406 миллиграммов урана на грамм материала, после чего превращали его в стабильную минерализованную форму, удобную для извлечения и безопасного хранения.

«Когда работает со светом, этот материал может двигаться сам, что делает подход значительно более энергоэффективным и более щадящим для окружающей среды по сравнению с традиционными статическими сорбентами», — объясняет ведущий исследователь Юнцюан Чжоу в интервью для «South China Morning Post».

Динамика «хищник – жертва» в микромасштабе

В серии контролируемых экспериментов ученые наблюдают эмерджентное поведение, напоминающее биологическую динамику между хищником и жертвой. Когда комбинируют активные микромоторы с пассивными коллоидными частицами, система начинает проявлять модели, подобные преследованию, избеганию и координированному роевому движению, и эти паттерны меняются в зависимости от концентрации «топлива». Значительная часть экспериментальной работы была выполнена Икрамом Мухаммадом, членом команды.

По словам Чжоу, концепция не ограничивается только ураном. В будущем подобные микромоторы могли бы использоваться и для улавливания других стратегически важных элементов в водной среде, таких как рубидий и цезий, которые являются ключевыми для высокотехнологичных приложений и энергетики.

Стратегический контекст и остающиеся вызовы

Исследование появляется в момент, когда Китай быстро расширяет свою ядерную энергетическую программу, но остается в значительной степени зависимым от импортируемого урана. Оценки показывают, что в мировом океане растворено около 4,5 миллиарда тонн урана, но его исключительно низкая концентрация – порядка 0,003 части на миллион – долгое время делает его извлечение технически трудным и экономически невыгодным.

В начале года связанные с государством китайские ядерные структуры сообщили, что им удалось извлечь уран из морской воды в масштабе нескольких килограммов через оффшорную платформу в Южно-Китайском море – очередной шаг в амбициозном курсе страны к добыче ядерного топлива напрямую из океана. Подобные разработки подчеркивают стратегическое значение любой технологии, которая может ускорить или удешевить этот процесс.

Несмотря на многообещающие результаты, Чжоу подчеркивает, что технология микромоторов все еще находится на начальном этапе. Среды с высоким содержанием соли – такие как соленые озера, где институт традиционно работает – пока снижают эффективность системы. Чтобы найти место в реальных приложениях, потребуются дополнительные инженерные решения, которые улучшат стабильность и эффективность в различных условиях.

Команда продолжает работать над оптимизацией материала и масштабированием процесса. Если вызовы будут преодолены, «хищные» МОК-микромоторы могли бы стать важным инструментом как для добычи урана из разреженных водных источников, так и для очистки радиоактивных сточных вод – с потенциально большим значением для будущего ядерной энергетики и окружающей среды.