"Это шаг к устранению главного препятствия на пути к ядерной энергетике", - говорит химик и старший автор Сарбаджит Банерджи из ETH Zürich и Техасского университета A&M. "Литий-6 является критически важным материалом для возрождения ядерной энергетики, и этот метод мог бы стать жизнеспособным подходом к разделению изотопов".

Традиционный метод, используемый для выделения лития-6, называемый процессом COLEX, использует жидкую ртуть и был запрещен в Соединенных Штатах с 1963 года из-за опасений загрязнения. С тех пор почти весь литий-6, используемый в исследованиях в США, использовался из уменьшающихся запасов, хранящихся в Национальной лаборатории Ок-Ридж в Теннесси. Наличие безопасного метода выделения лития-6 станет ключом к использованию ядерного синтеза в качестве устойчивого источника энергии.

Исследователи наткнулись на свой метод выделения лития-6 при разработке мембран для очистки "пластовой воды" - грунтовых вод, которые поднимаются на поверхность во время бурения нефтяных и газовых скважин и которые необходимо очистить, прежде чем их можно будет закачать обратно под землю. Они заметили, что их очищающая мембрана улавливает непропорционально большое количество лития в воде.

"Мы увидели, что можем извлекать литий довольно избирательно, учитывая, что в воде содержится гораздо больше соли, чем лития", - говорит Банерджи. "Это заставило нас задаться вопросом, может ли этот материал также обладать некоторой селективностью в отношении изотопа 6-лития".

Связывающие литий свойства мембраны обусловлены материалом под названием оксид дзета-ванадия (ζ-V2o5), синтезированным в лабораторных условиях неорганическим соединением, которое содержит каркас из туннелей, проходящих в одном измерении.

"Zeta-V2o5 обладает некоторыми совершенно невероятными свойствами - это удивительный материал для батарей, и теперь мы обнаруживаем, что он может улавливать литий очень _{избирательно}, даже с изотопной избирательностью", - говорит Банерджи.

Чтобы проверить, может ли материал отделять литий-6 от лития-7, команда создала электрохимическую ячейку с катодом zeta-V2o5. Когда они _{прокачивали} водный раствор, содержащий ионы лития, через ячейку при подаче напряжения, положительно заряженные ионы лития притягивались к отрицательно заряженной матрице zeta-V2o5 и проникали в ее туннели. Поскольку ионы лития-6 и лития-7 движутся по-разному, туннели zeta-V2o5 преимущественно захватывали ионы лития-6, в то время как более подвижные ионы лития-7 избегали захвата.

"Ионы лития-6 намного прочнее прилипают к туннелям, что является механизмом селективности", - говорит соавтор Эндрю Эзази из Texas A&M. "Если вы думаете о связях между V2o5 и литием _как о пружине, вы можете представить, что литий-7 тяжелее и с большей вероятностью разорвет эту связь, тогда как литий-₆, поскольку он легче, меньше отражается и создает более прочную связь".

По мере того как ионы лития интегрируются в zeta_-V2o5, соединение постепенно меняет цвет с ярко-желтого на темно-оливково-зеленый, что позволяет легко контролировать степень выделения лития.

Команда показала, что за один электрохимический цикл литий-6 обогатился на 5,7%. Для получения лития плавленого качества, для которого требуется минимум 30% лития-6, процесс необходимо повторить 25 раз, а 90% лития-6 можно получить примерно за 45 последовательных циклов.

"Этот уровень обогащения вполне сопоставим с процессом COLEX без использования ртути", - говорит Эзази.

"Конечно, мы пока не занимаемся промышленным производством, и есть некоторые инженерные проблемы, которые необходимо преодолеть с точки зрения проектирования контура потока, но за несколько циклов потока вы можете получить литий термоядерного качества довольно дешево", - говорит Банерджи.

Исследователи говорят, что их результаты позволяют предположить, что такие материалы, как zeta-V2o5_, могут быть использованы для выделения других веществ, например, для отделения радиоактивных изотопов от нерадиоактивных.

Сейчас команда предпринимает шаги по масштабированию своего метода до промышленного уровня.

"Я думаю, что существует большой интерес к ядерному синтезу как к окончательному решению для получения чистой энергии", - говорит Банерджи. "Мы надеемся получить некоторую поддержку, чтобы превратить это в практичное решение".