在人類不斷開發地球資源的過程中，海洋資源一直是一個充滿潛力的領域。随着陸地鈾礦資源日益稀缺，科學家們将目光投向了浩瀚的海洋。
近日，中國科學院青島生物能源與過程研究所的科研團隊在這一領域取得了重大突破，開發出了一種具備超高選擇性的新型海水提鈾材料，爲核能的可持續發展開辟了新的道路。這項突破性研究不僅展示了我國在材料科學和海洋資源利用領域的創新能力，也爲全球核能發展和海洋資源開發提供了新的思路和方法。
一塊高濃縮鈾錠（U-235 同位素含量被提高到 20% 以上的鈾）。圖片來源：維基百科
海洋中的隐藏寶藏：鈾資源的新來源
鈾作爲核能發展的重要原料，其儲量和供應一直是全球關注的焦點。随着陸地鈾礦的持續開采，可獲取的資源逐漸減少，這給核能的長期發展帶來了嚴峻挑戰。然而，科學家們發現，海洋中蘊含着巨大的鈾資源，盡管海水中鈾的濃度相對較低，僅有約 3.3 微克 / 升，但由于海洋擁有龐大體積，其中蘊含的總鈾量是驚人的（估計約 45 億噸），遠遠超過了已知的陸地鈾儲量。
從海水中提取鈾的優勢在于，海洋中的鈾資源是可再生的。随着河流不斷将陸地上的鈾元素沖刷入海，海水中的鈾含量能夠保持相對穩定。因此，如果能夠有效地從海水中提取鈾，理論上來說，我們将擁有幾乎用之不竭的鈾資源供應。
然而，這項技術面臨着諸多挑戰。首先，海水成分極其複雜，除了鈾，還包含大量其他離子和有機物。其次，鈾在海水中的濃度極低，這意味着需要處理大量的海水才能獲得有意義的鈾量。更棘手的是，海水中存在大量幹擾離子，其中釩離子的幹擾程度最爲嚴重。釩離子不僅濃度比鈾高，而且化學性質相似，常常會與鈾争奪吸附位點，嚴重影響提取效率。
方鈾礦是最常用來提取鈾的礦石。圖片來源：維基百科
海藻酸鈉 -DNA：自然靈感帶來的科技突破
面對這一挑戰，中國科學院青島生物能源與過程研究所的研究團隊采取了一種獨特的方法。他們巧妙地利用了自然界中常見的材料——海藻酸鈉（SA）和 DNA，開發出了一種新型的吸附材料。這種創新的組合不僅充分利用了兩種材料各自的優勢，還通過它們的協同作用，實現了前所未有的高效吸附和選擇性。
海藻酸鈉（SA）是一種從海藻中提取的天然多糖，具有良好的凝膠性能和生物相容性，它能夠形成三維網絡結構，提供大量的吸附位點。而 DNA 作爲生命的基本組成單位，具有獨特的分子識别能力，研究團隊通過精心設計 DNA 序列，成功賦予了材料對鈾離子的特異性識别能力。
研究團隊采用 " 一步滴定 - 鈣交聯自組裝法 "，制備出了具有半互穿網絡結構的 "SA-DNA 水凝膠微球 "。這種方法不僅簡單高效，還能确保 DNA 均勻分布在海藻酸鈉（SA）網絡中，制備出的微球大小約爲 2 毫米，内部包含了大量微米級的孔隙。這種多孔結構設計不僅提高了材料的傳質效率，還能充分暴露活性位點，從而提高吸附效率。
最令人驚歎的是，這種材料對鈾酰離子（UO2+2）的選擇性是釩離子的 43.6 倍。這一數據意味着，即使在複雜的海水環境中，這種材料也能準确地捕捉到鈾離子，而不會被其他離子嚴重幹擾。這種高選擇性的實現，爲從海水中高效提取鈾開辟了新的可能性。
SA-DNA 水凝膠複合微球的制備過程及結構示意圖。圖片來源：參考文獻 [ 1 ]
分子層面的奧秘：DNA 的獨特作用
爲了理解這種材料爲什麽能如此準确地選擇鈾，研究團隊進行了多項測試。他們發現 DNA 在這個過程中起到了關鍵作用，它獨特的結構使得材料能精準地吸附鈾。科學家們用特殊的光學設備觀察了材料在吸附鈾前後的變化。結果顯示，DNA 的某些部分在與含鈾海水作用後發生了明顯變化，證明 DNA 直接參與了抓取鈾的過程。
另一種分析方法進一步證實了這一點。研究人員發現，鈾主要與 DNA 中的某些原子結合。同時，鈾也與微球表面的其他部分形成了連接，這種多重作用使得材料更容易吸附鈾。研究團隊還使用計算機模拟了分子層面的相互作用，結果顯示，DNA 和鈾之間形成了特殊的結構，這解釋了爲什麽該材料能如此有效地與鈾發生吸附。
這些發現不僅解釋了爲什麽這種材料擁有出色的吸附效果，還爲設計更好的材料提供了指導。科學家們希望通過調整 DNA，開發出可以從海水中提取其他有價值的金屬材料，爲更廣泛利用海洋資源開辟新的可能。
Ⅱ ) SA-DNA 水凝膠微球的 SEM 圖像；Ⅳ ) 内部形态。圖片來源：參考文獻 [ 1 ]
綠色環保與經濟效益的完美結合
除了卓越的性能之外，這種新型吸附劑還具有多項實用優勢，體現了綠色環保與經濟效益的完美結合。首先，它采用的原料海藻酸鈉（SA）和 DNA，都是自然界中常見的物質。海藻酸鈉（SA）可以從海藻中大量提取，而 DNA 可以通過生物技術大規模合成。這些原料價格相對低廉，易于獲取，大大降低了生産成本，使得大規模應用成爲可能。
其次，這種材料環境友好，不會對海洋生态系統造成顯著的負面影響。海藻酸鈉（SA）作爲一種天然多糖，具有良好的生物相容性和可降解性。即使少量材料進入海洋環境，也能被自然分解，不會造成長期污染。這一特性在核能開發與環境保護之間找到了一個平衡點，體現了可持續發展的理念。
此外，SA-DNA 水凝膠微球還具有優異的機械強度和可回收性。實驗表明，這種材料能夠承受海水中的各種物理條件，如海浪沖擊和深水壓力，而不會輕易破碎。更重要的是，它可以通過簡單的化學處理重新生成，實現多次循環使用。這種可重複使用的特性進一步提高了其經濟效益和實用性，降低了長期運營成本。
在實驗條件下，這種材料在 25 ℃、pH 值 4.0 的環境中，最大吸附容量可達 189.5mg/g。這一數據顯示了其卓越的吸附性能，遠超許多傳統吸附材料，雖然實際海水環境可能會對性能産生一定影響，但這仍爲實際應用提供了有力支持。
值得注意的是，這種材料的制備過程相對簡單，不需要複雜的設備或嚴格的實驗條件。這意味着它可以較容易地實現規模化生産，降低了從實驗室到工業應用的門檻。
全球鈾礦及鈾需求分布圖。圖片來源：維基百科
未來展望：開啓海洋資源利用新篇章
研究人員指出，由于特定 DNA 具有識别各種金屬離子的獨特能力，這種基于 DNA 的吸附劑可能用于從海水中回收其他有價值的金屬離子。例如，海水中還含有大量的锂、鎂、钴等戰略資源，這些元素在新能源和高科技産業中有着廣泛的應用。
利用生物資源富集鈾在自然界中亦有案例，圖中檸檬酸杆菌中的鈾濃度可以比周圍環境高出 300 倍。圖片來源：維基百科
通過調整 DNA 序列和材料結構，科學家們有望開發出針對這些元素的高效吸附劑。這爲海洋資源的綜合利用開辟了新的視野，可能徹底改變我們獲取稀有金屬的方式。
參考文獻
[ 1 ] Wansheng Zhang et. al., SA-DNA hydrogel microspheres for Ultra-Selective uranyl ( VI ) extraction from seawater
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出品丨科普中國
作者丨李瑞 半導體工程師
監制丨中國科普博覽
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