Científicos de Rusia, sintetizan neptunio y cesio en una misma estructura: perspectivas para la inmovilización de radionúclidos
Moscú, Rusia, Eurasia.- Investigadores del Instituto A.N. Frumkin de Química Física y Electroquímica de la Academia Rusa de Ciencias han sintetizado y estudiado exhaustivamente la primera estructura metalorgánica (MOF) bimetálica con una red cristalina que incorpora iones de neptunio y cesio. La MOF demostró una estabilidad excepcional frente a la disolución, el calentamiento y la radiación.
El rápido desarrollo de la química y la tecnología de las estructuras metalorgánicas obliga a los investigadores a prestar especial atención a su diversidad estructural, por ejemplo, a la composición de sus clústeres metálicos y a la disposición de sus átomos. De particular interés son las estructuras basadas en actínidos, la mayoría de los cuales son metales con múltiples estados de oxidación. Se caracterizan típicamente por elevados números de coordinación, lo que significa que son capaces de unirse a diversos ligandos. Cabe esperar que las estructuras metalorgánicas basadas en actínidos presenten un entorno de coordinación específico, una estructura única y propiedades fisicoquímicas distintivas. Algunos MOF son estables a la radiación ionizante, lo que los convierte en potenciales adsorbentes para capturar productos de fisión radiactivos volátiles (como yodo, tecnecio, cesio, criptón o xenón).
Una colaboración de laboratorios del Instituto de Química Física y Electroquímica de la Academia Rusa de Ciencias ha sintetizado el primer marco metalorgánico (MOF) bimetálico que incorpora iones de neptunio y cesio mediante un método solvotérmico. Los bloques de construcción de este marco consisten en cuatro átomos de neptunio y dos de cesio unidos por puentes de oxígeno. El neptunio se encuentra en estado de oxidación +V. Los poros del MOF resultante son estrechos, con un diámetro límite de 2,69 Å.
La mayoría de los cationes metálicos existen en estados simples, como el Fe³⁺. Sin embargo, los actínidos suelen formar los llamados oxocationes, donde en lugar de un ion metálico puro, se forma un ion que contiene oxígeno, como el NpO₂⁺. En estos sistemas, se pueden observar las llamadas interacciones catión-catión. Es bien sabido que, según la ley de Coulomb, las cargas del mismo signo se repelen. Pero en el complejo ion neptunoílo, la densidad electrónica se distribuye de forma no uniforme y contiene regiones con exceso de densidad electrónica —señaló Yegor Parashutin, estudiante de posgrado del Instituto de Química Física y Electroquímica de la Academia Rusa de Ciencias y uno de los autores del estudio—. Por lo tanto, los iones neptunoílo con carga positiva pueden atraerse entre sí, dando lugar a una estructura imposible para otros metales, que es lo que se observa en nuestro compuesto.
La estructura metalorgánica descubierta en el Instituto de Química Física y Electroquímica de la Academia Rusa de Ciencias se caracteriza por una estabilidad sin precedentes: no se observa lixiviación durante el contacto prolongado con agua; no se degrada al calentarse hasta 400 °C y puede soportar una dosis absorbida de 6 MGy.
«El componente básico de esta estructura metalorgánica es el clúster bimetálico Np₄Cs₂O₈. Los iones de cesio que contiene forman parte integral de la estructura, no se limitan a adsorberse en los poros. Por lo tanto, están firmemente integrados en la estructura y no participan en el intercambio iónico», explicó Mikhail Volkov, Doctor en Ciencias Químicas, investigador principal del Laboratorio de Química del Tecnecio del Instituto de Química Física y Electroquímica de la Academia Rusa de Ciencias y director del estudio. «Durante los experimentos, no se observó ni lixiviación ni emisión de cesio-137 del material, lo que hace que esta estructura sea potencialmente adecuada para inmovilizar este radionúclido».
Este estudio fue financiado por la Fundación Rusa para la Ciencia (subvención n.° 25-73-10086). El trabajo fue publicado en la revista Chemical Communications.
