近日，由原子能院放射化學(xué)研究所與清華大學(xué)合作取得的原創(chuàng)性成果《Multi-scale computer-aided design and photo-controlled macromolecular synthesis boosting uranium harvesting from seawater》(《多尺度計(jì)算輔助設(shè)計(jì)及光控聚合技術(shù)開發(fā)新型海水提鈾材料》)在國際知名期刊《Nature Communications》(《自然·通訊》)上發(fā)表，這是原子能院首次在該期刊發(fā)表成果。該期刊今年影響因子為17.7。放射化學(xué)研究所蘭友世博士為文章共同第一作者。

       文章指出，通過多尺度計(jì)算模擬與連續(xù)流光控聚合技術(shù)相結(jié)合，可建立一種海水提鈾材料研發(fā)新范式，實(shí)現(xiàn)具有構(gòu)象優(yōu)勢的嵌段聚合物型海水提鈾材料的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和定制合成。該研究模式對于更為廣泛的功能性嵌段聚合物材料開發(fā)同樣具有借鑒意義。
 

 

嵌段共聚物海水提鈾過程的多尺度模擬
 

       海水提鈾研究起源于20世紀(jì)50年代，用于解決陸地鈾礦資源有限性和開發(fā)經(jīng)濟(jì)性問題。2016年，《Nature》撰文將海水提鈾列為有望“改變世界的七項(xiàng)化學(xué)分離技術(shù)”之一。在過去20年間，針對海水提鈾聚合物材料的設(shè)計(jì)和研發(fā)主要集中于微觀尺度和宏觀尺度兩個(gè)層面，對于兩者之間的介觀尺度下聚合物鏈段空間構(gòu)象與其吸附行為的關(guān)系這一科學(xué)問題缺乏認(rèn)識，并且缺乏精準(zhǔn)調(diào)控聚合物鏈段構(gòu)象的技術(shù)手段。因此，現(xiàn)有的大多數(shù)海水提鈾材料遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法兌現(xiàn)其理論上的吸附容量，利用率極低。

       例如，偕胺肟基吸附材料在海水提鈾中被廣泛應(yīng)用，其在使用過程中如同一團(tuán)蜷縮的毛線球，由于與海水接觸面積有限，造成利用率不足1%，導(dǎo)致對海水中鈾的富集能力低下，制約了海水提鈾工程化的進(jìn)展。針對這個(gè)問題，本研究從多方面圍繞海水提鈾材料構(gòu)象問題提出解決策略，通過向吸附材料中引入親水功能鏈，使“蜷縮的毛線球”變得松弛，從而加大與海水的接觸面積，提高吸附利用率。
 

嵌段共聚物的光控合成及海水提鈾吸附實(shí)驗(yàn)
 

       研究采用了多尺度計(jì)算與高通量實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，形成了一套具有普適性的高分子材料定向合成研發(fā)模式，提出一種新型智能的材料設(shè)計(jì)理念，模擬了偕胺肟高分子材料的海水提鈾過程，通過光控聚合技術(shù)精準(zhǔn)合成嵌段型偕胺肟聚合物后，進(jìn)行了28天的真實(shí)海水吸附實(shí)驗(yàn)。結(jié)果證實(shí)該材料具有優(yōu)異的鈾吸附性能，吸附容量提高至11.4 mg/g，較之原來材料提高了5倍，這對海水提鈾的工程化具有促進(jìn)意義。