Des chercheurs américains de la Northwestern University ont mis au point un nouveau composé qui, à la manière de la dionée attrape-mouche, une plante carnivore, capture spécifiquement sa proie, le césium radioactif au milieu des déchets nucléaires liquides.
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C'est en étudiant la structure des matériaux et leur influence sur les échanges ioniques que les chercheurs du Weinberg College of Arts and Sciences ont observé par hasard le comportement d'un nouveau composé. Ce matériaumatériau constitué de couches de galliumgallium (Ga), de soufresoufre (S) et d'antimoineantimoine (Sb), poreux et flexible, se déforme pour happer les ionsions de radiocésium (Cs*) attirés tels des mouches dans les pièges de la dionée (Dionaea muscipula).

Comme l'explique Mercouri G. Kanatzidis, « voir les fenêtresfenêtres se fermer était totalement inattendu. Nous recherchions des échanges d'ions - nous ne nous attendions pas à ce que le matériau réponde de manière dynamique. Cela a attiré notre attention sur un nouveau mécanisme ».

Le docteur Mercouri G. Kanatzidis dans son laboratoire, un modèle moléculaire à la main. © MGK

Le docteur Mercouri G. Kanatzidis dans son laboratoire, un modèle moléculaire à la main. © MGK

Le césiumcésium 135 radioactif, dont la demi-viedemi-vie est de 2,6 millions d'années, est l'un des principaux contaminants du sodiumsodium (Na) du fluide caloporteurfluide caloporteur de certains réacteurs nucléaires. Or il n'est présent dans ces solutions très salines qu'à des concentrations de 1 pour 1000 et il est très difficile à extraire. Les solutions actuelles de traitement ne sont pas satisfaisantes. Le capturer revient donc à chercher une aiguille dans une botte de foin.

Trouver une aiguille radioactive dans la mer

Cependant, ce nouveau matériau est capable, grâce à sa sélectivité structurale et à sa flexibilité, de capturer 100% des ions césium contenus dans ces solutions de sodium. En effet, ce matériau poreux est composé de cationscations (ions positifs) et de fenêtres (trous) qui favorisent les échanges d'ions. Les cations attirent les ions césium et leur laissent la place en partant par les fenêtres.

L'interaction entre les atomesatomes de soufre du matériau et les atomes de césium, tout deux polarisables, crée une liaison faible entre ces deux atomes qui fixe le césium radioactif. Il s'ensuit une déformation du matériau qui ferme les fenêtres dans lesquelles le césium est fixé. Celui-ci est alors capturé. C'est le principe du piège de l'attrape-mouche...

Le sodium, entouré de moléculesmolécules d'eau, n'est pas concerné par la réaction. Au final, le liquide salin est épuré de son césium radioactif qui se retrouve fixé exclusivement au nouveau matériau.

La réponse dynamique du matériau décrite par les chercheurs Nan Ding et Mercouri G. Kanatzidis dans Nature Chemistry ouvre de nouvelles pistes dans la conception de matériaux pour extraire de manière sélective les ions qui, comme le césium, sont difficiles à capturer.