Міжнародна дослідницька група, що базується в Китаї, розробила мікроскопічний матеріал, який поводиться як мініатюрний хижак: він сам пересувається у водному середовищі, "винюхує" та захоплює уранові йони. Відкриття має потенціал змінити підхід до видобутку ядерного палива з морської води та до очищення радіоактивно забруднених водойм.

"Мікромотор", який полює на уран

Новий матеріал представляє собою мікромотор на основі метал-органічної рамки (МОК), який приводиться в рух світлом. Він розроблений в Цинхайському інституті солоних озер при Китайській академії наук і прийнятий до публікації 24 березня в рецензованому журналі "Nano Research". Частинки мають губчасту структуру і діаметр всього близько 2 мікрометрів – багаторазово тонші за людську волосину – і спроектовані працювати стабільно у воді протягом тривалих періодів.

При додаванні невеликої кількості пероксиду водню ці мікрочастинки генерують тягу і пересуваються у воді зі швидкістю приблизно 7 мікрометрів в секунду. Під впливом світла їхня швидкість майже подвоюється, що дає мікромоторам додатковий "сонячний" поштовх. В лабораторних умовах вони поглинали до 406 міліграм урану на грам матеріалу, після чого перетворювали його в стабільну мінералізовану форму, зручну для вилучення та безпечного зберігання.

"Коли працює зі світлом, цей матеріал може рухатися сам, що робить підхід значно енергоефективнішим і більш щадним для навколишнього середовища в порівнянні з традиційними статичними сорбентами", – пояснює провідний дослідник Юнцюан Чжоу в інтерв'ю для "South China Morning Post".

Динаміка "хижак – жертва" в мікромасштабі

В серії контрольованих експериментів вчені спостерігають емерджентну поведінку, що нагадує біологічну динаміку між хижаком і жертвою. Коли комбінують активні мікромотори з пасивними колоїдними частинками, система починає проявляти моделі, подібні до переслідування, уникнення та координованого роєвого руху, причому ці патерни змінюються в залежності від концентрації "палива". Значна частина експериментальної роботи виконана Ікрамом Мухаммадом, членом команди.

За словами Чжоу, концепція не обмежується лише ураном. В майбутньому подібні мікромотори могли б використовуватися і для захоплення інших стратегічно важливих елементів у водному середовищі, таких як рубідій та цезій, які є ключовими для високотехнологічних застосувань та енергетики.

Стратегічний контекст та виклики, що залишаються

Дослідження з'являється в момент, коли Китай швидко розширює свою ядерну енергетичну програму, але залишається в значній мірі залежним від імпортного урану. Оцінки показують, що у світовому океані розчинено близько 4,5 мільярда тонн урану, але надзвичайно низька його концентрація – порядку 0,003 частин на мільйон – довгий час робить його вилучення технічно складним та економічно невигідним.

На початку року пов'язані з державою китайські ядерні структури повідомили, що їм вдалося вилучити уран з морської води в масштабі декількох кілограмів через офшорну платформу в Південнокитайському морі – черговий крок в амбіційному курсі країни до видобутку ядерного палива безпосередньо з океану. Подібні розробки підкреслюють стратегічне значення кожної технології, яка може прискорити або здешевити цей процес.

Незважаючи на багатообіцяючі результати, Чжоу підкреслює, що технологія мікромоторів все ще знаходиться на початковому етапі. Середовища з високим вмістом солі – як-от солоні озера, де інститут традиційно працює – поки що знижують ефективність системи. Для того, щоб знайти місце в реальних застосуваннях, будуть потрібні додаткові інженерні рішення, які б покращили стабільність і ефективність в різних умовах.

Команда продовжує працювати над оптимізацією матеріалу та масштабуванням процесу. Якщо виклики будуть подолані, "хижі" МОК-мікромотори могли б перетворитися на важливий інструмент як для видобутку урану з розріджених водних джерел, так і для очищення радіоактивних стічних вод – з потенційно великим значенням для майбутнього ядерної енергетики та навколишнього середовища.