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La dionée carnivore peut nous aider à traiter les déchets nucléaires...

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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.

Ampoules de verre contenant du césium (Cs) dont l’isotope radioactif se retrouve dans les déchets nucléaires liquides. © Dnn87 CC by

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 matériau constitué de couches de gallium (Ga), de soufre (S) et d'antimoine (Sb), poreux et flexible, se déforme pour happer les ions de radiocésium (Cs*) attirés tels des mouches dans les pièges de la dionée (Dionaea muscipula).

Comme l'explique Mercouri G. Kanatzidis, « voir les fenêtres 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 césium 135 radioactif, dont la demi-vie est de 2,6 millions d'années, est l'un des principaux contaminants du sodium (Na) du fluide 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 cations (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 atomes 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 molécules 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.

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