نانوکامپوزیت هوشمند برای حذف و تشخیص سریع یُد رادیواکتیو

به گزارش خبرگزاری صدا و سیما ، گروهی از پژوهشگران با تکیه بر فناوری نانو و چارچوب‌های آلی-فلزی (MOF)، موفق به ساخت یک نانوکامپوزیت کارآمد شده‌اند که همزمان قادر است یُد رادیواکتیو را از آب حذف کند و در همان حال، امکان تشخیص سریع و حتی «چشم غیرمسلح» یون‌های یُدیدِ رادیواکتیو را فراهم آورد.

دستاورد این تیم می‌تواند مسیر تازه‌ای برای تصفیه پسماند‌های هسته‌ای و همچنین پاکسازی محیط‌زیست در مواجهه با ایزوتوپ‌های دیرزیست ایجاد کند؛ ایزوتوپ‌هایی که سال‌ها و حتی دهه‌ها در چرخه محیطی باقی می‌مانند

یُد رادیواکتیو یکی از آلاینده‌های حساس در حوزه پسماند‌های هسته‌ای است، زیرا در آب بسیار محلول به شمار می‌رود و همین ویژگی آن را برای سلامت عمومی و امنیت زیست‌محیطی تهدیدی جدی می‌کند.

از سوی دیگر، فناوری‌های موجود برای مدیریت این آلاینده معمولاً با محدودیت‌های مهم روبه‌رو هستند؛ برای نمونه، بسیاری از مواد در برابر واکنش‌های ناخواسته مانند اکسید شدنِ آسان آسیب‌پذیرند یا دچار تجمع و آگلومره شدن ذرات نقره می‌شوند. افزون بر این، ظرفیت جذب برخی سامانه‌ها محدود است و برای تشخیص نیز گاهی به ابزار‌های حجیم و تخصصی وابسته‌اند. همین محدودیت‌ها سبب می‌شود درمان مؤثر پسماند‌های حاوی یُد رادیواکتیو و همچنین پایش سریع و میدانی آن دشوار شود.

راهکار جدید؛ ساختار‌های MOF-محور با «نانوحفره‌های اکسیژن»

در پژوهش تازه، دانشمندان از آزمایشگاه‌های مؤسسه «Hefei Institutes of Physical Science, Chinese Academy of Sciences» یک نانوکامپوزیت چندوظیفه‌ای طراحی کرده‌اند.

این سامانه بر پایه چارچوب TiO ۲-x حاصل از MOF است؛ یعنی ساختاری که از یک چارچوب فلز–آلی مشتق می‌شود و به شکل هدفمند با نانوحفره‌های اکسیژن (oxygen vacancies) تقویت شده است. در همین ساختار، نانوذرات نقره نیز روی سطح تزریق و دکور شده‌اند تا نقش مهمی در عملکرد جذب و تشخیص ایفا کنند.

پژوهشگران برای ساخت سامانه نهایی، از یک ماده پیش‌ساز مبتنی بر تیتانیوم به نام MIL-۱۲۵ استفاده کردند. به بیان دیگر، این چارچوب به‌عنوان پایه شکل‌دهی به ساختار TiO ۲-x عمل کرد و در ادامه، تیم تحقیقاتی توانست نانوکامپوزیت Ag ۲ O–Ag@TiO ۲-x را (که در گزارش با عنوان AT شناخته می‌شود) مهندسی کند.

نقش کلیدی این سامانه، ایجاد «نقاط فعال دوگانه» است؛ یعنی حضور همزمان گونه‌های Ag ۰ و Ag ۲ O به‌عنوان مراکز مؤثر جذب و برهم‌کنش. برای رسیدن به این هدف، از یک راهبرد ترکیبی استفاده شد که شامل پیرولیز کنترل‌شده و رسوب‌دهی از محلول بود؛ روشی که امکان می‌دهد ویژگی‌های سطحی و شیمیایی ماده با دقت تنظیم شود.

مکانیزم حذف؛ هم‌افزایی اکسیداسیون فوتوکاتالیستی و جذب شیمی‌جذب

بر اساس توضیحات پژوهش، سازوکار حذف یُدید رادیواکتیو توسط AT به یک تعامل چندمرحله‌ای متکی است. این ماده، نانوحفره‌های اکسیژن را در کنار یک اتصال شاتکی میان نقره/تیتانیا (Schottky junction) سامان می‌دهد.

نتیجه این هم‌افزایی آن است که یون‌های یُدید نه‌تنها به دام می‌افتند، بلکه در قالب یک مکانیزم پیوندی شامل اکسیداسیون فوتوکاتالیستی و شیمی‌جذب، مسیر تخریب و حذف مؤثر را طی می‌کنند.

آزمون‌های آزمایشگاهی؛ حذف پایدار حتی در غلظت‌های پایین

داده‌های آزمایشی نشان دادند که این نانوکامپوزیت می‌تواند در جذب یُد نقش مؤثری داشته باشد و مهم‌تر از آن، عملکرد حذف در غلظت‌های پایین یُدید نیز پایدار می‌ماند. همچنین، آبی که تحت تیمار قرار گرفته بود، توانست با استاندارد‌های زیست‌محیطی منابع آب سطحی مطابق باشد؛ نکته‌ای که برای کاربرد‌های صنعتی و محیطی، از اهمیت بالایی برخوردار است.

تشخیص رنگی با «فعالیت شبه‌یدوپِرُکسیدازی»؛ راهی برای پایش سریع

این مطالعه تنها به حذف محدود نمی‌شود. ماده AT همچنین فعالیت شبه‌یدوپِرُکسیدازی (iodoperoxidase-like activity) از خود نشان می‌دهد؛ به این معنا که می‌توان از آن برای سامانه سنجش رنگی استفاده کرد. سیستم پیشنهادی با ترکیب AT/TMB/H ۲ O ۲ طراحی شده و امکان تشخیص بصری یُدید را فراهم می‌آورد.

طبق گزارش، این سامانه در برابر اختلال یون‌های رایج مقاومت خوبی دارد و می‌تواند در محیط‌های پیچیده نیز قابل اتکا باشد؛ از جمله در آب دریا و پسماند‌های هسته‌ای. بنابراین، برخلاف بسیاری از روش‌های تشخیصی که نیازمند تجهیزات حجیم هستند، این رویکرد امکان پایش میدانی و سریع‌تر را به میدان فناوری نزدیک می‌کند.

پایداری در برابر تابش؛ پس از γ-ray هنوز کار می‌کند

از دیگر نقاط قوت این دستاورد، پایداری ماده تحت تابش است. پژوهشگران پس از مواجهه با تابش γ-ray مشاهده کردند که بخش عمده توان جذب ماده حفظ شده است. علاوه بر آن، غلظت نقره آزادشده از ساختار در محدوده‌ای پایین‌تر از سطوح ایمنی ملی باقی مانده است؛ موضوعی که برای کاربرد‌های مرتبط با محیط‌های حساس، حیاتی تلقی می‌شود.

یک رویکرد عملی برای یُد رادیواکتیو

در مجموع، این مطالعه یک راهکار عملی و چندوظیفه‌ای برای حذف و تشخیص یُد رادیواکتیو ارائه می‌دهد. انتظار می‌رود این فناوری بتواند به تصفیه پسماند‌های آب در تأسیسات هسته‌ای کمک کند و در پروژه‌های ترمیم زیست‌محیطی به کار آید؛ به‌ویژه برای ایزوتوپ‌های دیرزیست مانند یُد-۱۲۹ (iodine-۱۲۹) که معمولاً با تولید برق هسته‌ای، فرآوری سوخت مصرف‌شده و رخداد‌های هسته‌ای مرتبط است.نتایج این مطالعه در نشریه Separation and Purification Technology منتشر شده است.