Abteilung Thermodynamik der Aktiniden

Foto: FWOA-Abteilungsfoto ©Copyright: Prof. Dr. Vinzenz Brendler

Forschung

Die Forschungsthemen der Abteilung Thermodynamik der Aktiniden innerhalb des Instituts für Ressourcenökologie gruppieren sich um die Bestimmung thermodynamischer (und kinetischer) Parameter, deren Auswertung, Aufbereitung, Speicherung in entsprechenden Datenbanken und Nutzung für die geochemische Modellierung. Aus chemischer Sicht liegt der Schwerpunkt auf Schwermetallkontaminationen, insbesondere auf langlebigen Radionukliden. Ihr Verbleib in der Umwelt, einschließlich der Migration und des Eintritts in die Nahrungskette, ist von herausragender gesellschaftlicher Bedeutung. Entsprechende Vorsorge-, Entgiftungs-, Abtrennungs- und Sanierungsmaßnahmen müssen auf der Grundlage eines mechanistischen Verständnisses aller relevanten physikalisch-chemischen Prozesse konzipiert werden. Dies wiederum ermöglicht eine realistische, d.h. präzise und robuste Vorhersage ihrer Ausbreitung in der Geo- und Biosphäre und des damit verbundenen Risikos für die menschliche Gesundheit.

Während die Thermodynamik aquatischer Spezies meist recht gut verstanden ist, sieht es bei Oberflächenprozessen wie Oberflächenkomplexierung, Ionenaustausch, Mineralumwandlung und Oberflächenausfällung anders aus - sie alle gelten jedoch als wichtige Rückhaltemechanismen in komplexen Umweltsystemen. Bei den festen Phasen befasst sich unsere Forschung vor allem mit den Mineralen, die in den meisten Gesteinen und Böden vorherrschen. Prominente Beispiele sind die gesteinsbildenden Bestandteile von kristallinen Gesteinen wie Quarz, Feldspat und Glimmer oder Alumosilikate wie Kaolinit, Illit oder Montmorillonit. Interessante eher technologische Systeme sind Eisenminerale und zementartige Verbindungen.

Basierend auf eigenen Untersuchungen, aber auch stark eingebettet in die Forschungsthemen anderer Abteilungen (namentlich Grenzflächenprozesse, Chemie der f-Elemente, Molekulare Strukturen und Biogeochemie) wird mit der Identifizierung von (Oberflächen-)Spezies und der Entwicklung von Molekülmodellen die Grundlage für realistische Speziessätze und deren Reaktionsgleichungen gelegt - üblicherweise als Modellentwicklung bezeichnet. In einem zweiten Schritt werden Bildungskonstanten und andere thermodynamische Parameter durch

Versuchsreihen unter variierenden Randbedingungen wie pH-Wert, Redoxpotential, Ionenstärke, Temperatur oder CO2-Partialdruck bestimmt. Dies ermöglicht die Parametrisierung der zuvor abgeleiteten Modelle. Spezies, Reaktionen und Parameter unterstützen dann die Zusammenstellung entsprechender geochemischer Datenbanken, die für die Beurteilung des makroskopischen Migrationsverhaltens der langlebigen Radionuklide benötigt werden. Die entsprechenden Codes werden gemeinsam mit der Abteilung Reaktiver Transport genutzt, deren Team auch viele Aspekte der Oberflächencharakterisierung bereitstellt, die für unsere eigene Modellentwicklung benötigt werden. Ein weiteres übergeordnetes Ziel ist ein abgestufter Ansatz zur Skalierung von der Nano- auf die Makroskala, um die Distanz zwischen atomistischen Untersuchungen und der großmaßstäblichen Prognostik zu überbrücken, die z. B. bei der Risikobewertung von Endlagern für nukleare Abfälle erforderlich ist und Entfernungen von mehreren km über einen Zeitraum von bis zu einer Million Jahren abdeckt.

Die aktuellen Forschungsschwerpunkte unserer Abteilung lassen sich wie folgt zusammenfassen:

Neuste Publikation

Efficient density functional theory directed identification of siderophores with increased selectivity towards indium and germanium

Hintersatz, C.(4); Tsushima, S.(5); Kaufer, T.; Kretzschmar, J.(6); Thewes, A.; Pollmann, K.(7); Jain, R.

Abstract

Siderophores are promising ligands for application in novel recycling and bioremediation technologies, as they can selectively complex a variety of metals. However, with over 250 known siderophores, the selection of suiting complexant in the wet lab is impractical. Thus, this study established a density functional theory (DFT) based approach to efficiently identify siderophores with increased selectivity towards target metals on the example of germanium and indium. Considering 239 structures, chemically similar siderophores were clustered, and their complexation reactions modeled utilizing DFT. The calculations revealed siderophores with, compared to the reference siderophore desferrioxamine B (DFOB), up to 128 % or 48 % higher selectivity for indium or germanium, respectively. Experimental validation of the method was conducted with fimsbactin A and agrobactin, demonstrating up to 40% more selective indium binding and at least sevenfold better germanium binding than DFOB, respectively. The results generated in this study open the door for the utilization of siderophores in eco-friendly technologies for the recovery of many different critical metals from various industry waters and leachates or bioremediation approaches. This endeavor is greatly facilitated by applying the herein-created database of geometry-optimized siderophore structures as de novo modeling of the molecules can be omitted.

Keywords: Agrobactin; Fimsbactin A; selective recovery; density functional theory; indium; germanium; screening

Verknüpfte Publikationen

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2526
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