在人类不断开发地球资源的过程中，海洋资源一直是一个充满潜力的领域。随着陆地铀矿资源日益稀缺，科学家们将目光投向了浩瀚的海洋。
近日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所的科研团队在这一领域取得了重大突破，开发出了一种具备超高选择性的新型海水提铀材料，为核能的可持续发展开辟了新的道路。这项突破性研究不仅展示了我国在材料科学和海洋资源利用领域的创新能力，也为全球核能发展和海洋资源开发提供了新的思路和方法。
一块高浓缩铀锭（U-235同位素含量被提高到20%以上的铀）。图片来源：维基百科
海洋中的隐藏宝藏：铀资源的新来源
铀作为核能发展的重要原料，其储量和供应一直是全球关注的焦点。随着陆地铀矿的持续开采，可获取的资源逐渐减少，这给核能的长期发展带来了严峻挑战。然而，科学家们发现，海洋中蕴含着巨大的铀资源，尽管海水中铀的浓度相对较低，仅有约3.3微克/升，但由于海洋拥有庞大体积，其中蕴含的总铀量是惊人的（估计约45亿吨），远远超过了已知的陆地铀储量。
从海水中提取铀的优势在于，海洋中的铀资源是可再生的。随着河流不断将陆地上的铀元素冲刷入海，海水中的铀含量能够保持相对稳定。因此，如果能够有效地从海水中提取铀，理论上来说，我们将拥有几乎用之不竭的铀资源供应。
然而，这项技术面临着诸多挑战。首先，海水成分极其复杂，除了铀，还包含大量其他离子和有机物。其次，铀在海水中的浓度极低，这意味着需要处理大量的海水才能获得有意义的铀量。更棘手的是，海水中存在大量干扰离子，其中钒离子的干扰程度最为严重。钒离子不仅浓度比铀高，而且化学性质相似，常常会与铀争夺吸附位点，严重影响提取效率。
方铀矿是最常用来提取铀的矿石。图片来源：维基百科
海藻酸钠-DNA：自然灵感带来的科技突破
面对这一挑战，中国科学院青岛生物能源与过程研究所的研究团队采取了一种独特的方法。他们巧妙地利用了自然界中常见的材料——海藻酸钠（SA）和DNA，开发出了一种新型的吸附材料。这种创新的组合不仅充分利用了两种材料各自的优势，还通过它们的协同作用，实现了前所未有的高效吸附和选择性。
海藻酸钠（SA）是一种从海藻中提取的天然多糖，具有良好的凝胶性能和生物相容性，它能够形成三维网络结构，提供大量的吸附位点。而DNA作为生命的基本组成单位，具有独特的分子识别能力，研究团队通过精心设计DNA序列，成功赋予了材料对铀离子的特异性识别能力。
研究团队采用“一步滴定-钙交联自组装法”，制备出了具有半互穿网络结构的“SA-DNA水凝胶微球”。这种方法不仅简单高效，还能确保DNA均匀分布在海藻酸钠（SA）网络中，制备出的微球大小约为2毫米，内部包含了大量微米级的孔隙。这种多孔结构设计不仅提高了材料的传质效率，还能充分暴露活性位点，从而提高吸附效率。
最令人惊叹的是，这种材料对铀酰离子（UO2+2）的选择性是钒离子的43.6倍。这一数据意味着，即使在复杂的海水环境中，这种材料也能准确地捕捉到铀离子，而不会被其他离子严重干扰。这种高选择性的实现，为从海水中高效提取铀开辟了新的可能性。
SA-DNA水凝胶复合微球的制备过程及结构示意图。图片来源：参考文献[1]
分子层面的奥秘：DNA的独特作用
为了理解这种材料为什么能如此准确地选择铀，研究团队进行了多项测试。他们发现DNA在这个过程中起到了关键作用，它独特的结构使得材料能精准地吸附铀。科学家们用特殊的光学设备观察了材料在吸附铀前后的变化。结果显示，DNA的某些部分在与含铀海水作用后发生了明显变化，证明DNA直接参与了抓取铀的过程。
另一种分析方法进一步证实了这一点。研究人员发现，铀主要与DNA中的某些原子结合。同时，铀也与微球表面的其他部分形成了连接，这种多重作用使得材料更容易吸附铀。研究团队还使用计算机模拟了分子层面的相互作用，结果显示，DNA和铀之间形成了特殊的结构，这解释了为什么该材料能如此有效地与铀发生吸附。
这些发现不仅解释了为什么这种材料拥有出色的吸附效果，还为设计更好的材料提供了指导。科学家们希望通过调整DNA，开发出可以从海水中提取其他有价值的金属材料，为更广泛利用海洋资源开辟新的可能。
Ⅱ) SA-DNA水凝胶微球的SEM图像；Ⅳ) 内部形态。图片来源：参考文献[1]
绿色环保与经济效益的完美结合
除了卓越的性能之外，这种新型吸附剂还具有多项实用优势，体现了绿色环保与经济效益的完美结合。首先，它采用的原料海藻酸钠（SA）和DNA，都是自然界中常见的物质。海藻酸钠（SA）可以从海藻中大量提取，而DNA可以通过生物技术大规模合成。这些原料价格相对低廉，易于获取，大大降低了生产成本，使得大规模应用成为可能。
其次，这种材料环境友好，不会对海洋生态系统造成显著的负面影响。海藻酸钠（SA）作为一种天然多糖，具有良好的生物相容性和可降解性。即使少量材料进入海洋环境，也能被自然分解，不会造成长期污染。这一特性在核能开发与环境保护之间找到了一个平衡点，体现了可持续发展的理念。
此外，SA-DNA水凝胶微球还具有优异的机械强度和可回收性。实验表明，这种材料能够承受海水中的各种物理条件，如海浪冲击和深水压力，而不会轻易破碎。更重要的是，它可以通过简单的化学处理重新生成，实现多次循环使用。这种可重复使用的特性进一步提高了其经济效益和实用性，降低了长期运营成本。
在实验条件下，这种材料在25℃、pH值4.0的环境中，最大吸附容量可达189.5mg/g。这一数据显示了其卓越的吸附性能，远超许多传统吸附材料，虽然实际海水环境可能会对性能产生一定影响，但这仍为实际应用提供了有力支持。
值得注意的是，这种材料的制备过程相对简单，不需要复杂的设备或严格的实验条件。这意味着它可以较容易地实现规模化生产，降低了从实验室到工业应用的门槛。
全球铀矿及铀需求分布图。图片来源：维基百科
未来展望：开启海洋资源利用新篇章
研究人员指出，由于特定DNA具有识别各种金属离子的独特能力，这种基于DNA的吸附剂可能用于从海水中回收其他有价值的金属离子。例如，海水中还含有大量的锂、镁、钴等战略资源，这些元素在新能源和高科技产业中有着广泛的应用。
利用生物资源富集铀在自然界中亦有案例，图中柠檬酸杆菌中的铀浓度可以比周围环境高出300倍。图片来源：维基百科
通过调整DNA序列和材料结构，科学家们有望开发出针对这些元素的高效吸附剂。这为海洋资源的综合利用开辟了新的视野，可能彻底改变我们获取稀有金属的方式。
参考文献
[1]Wansheng Zhang et. al., SA-DNA hydrogel microspheres for Ultra-Selective uranyl (VI) extraction from seawater
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出品丨科普中国
作者丨李瑞 半导体工程师
监制丨中国科普博览
责编丨董娜娜
审校丨徐来 林林
