Deuterium, en tyngre men mindre riklig version av väteatomen, har många praktiska tillämpningar. Tyvärr, att producera deuterium och använda det för att skydda kiselbaserade halvledare kräver mycket energi och mycket dyr deuteriumgas. Nu, forskare från Japan har upptäckt en energieffektiv utbytesreaktion för att byta väteatomer mot deuterium på ytan av nanokristallint kisel. Deras resultat banar väg för mer hållbara elektroniska enheter samtidigt som kostnader och miljöpåverkan hålls nere.

Upptäckten av isotoper i början av 20 -talet ^th århundradet var ett viktigt ögonblick i fysikens historia och ledde till en mycket mer förfinad förståelse av atomkärnan. Isotoper är "versioner" av ett givet element i det periodiska systemet som har samma antal protoner men ett annat antal neutroner, och därför varierar i massa. Dessa skillnader i massa kan radikalt förändra vissa fysiska egenskaper hos atomerna, såsom deras radioaktiva sönderfallshastigheter, deras möjliga reaktionsvägar i kärnklyvningsreaktorer, och mycket mer.

Medan de flesta isotoper av ett element delar liknande kemiska egenskaper, det finns ett anmärkningsvärt undantag:väteisotoper. De flesta väteatomer på jorden innehåller bara en proton och en elektron, men det finns väteisotoper som också har en neutron (deuterium) eller två neutroner (tritium). Deuterium, som väger dubbelt så mycket som "normalt" väte, har funnit många praktiska och vetenskapliga användningsområden. Till exempel, den kan användas för att märka och spåra molekyler som proteiner för att undersöka biokemiska processer. Det kan också strategiskt användas i läkemedel för att minska deras ämnesomsättning och öka deras halveringstid i kroppen.

En annan viktig tillämpning av deuterium finns inom halvledarelektronik. Ytan på kiselbaserade halvledare måste 'passiveras' med väte för att säkerställa att kiselatomer inte lossnar (desorberar) lätt, vilket ökar hållbarheten för mikrochips, batterier, och solceller. Dock, genom mekanismer som fortfarande inte är helt förstådda, passivering med deuterium istället för väte resulterar i att desorptionssannolikheter är ungefär hundra gånger lägre, vilket innebär att deuterium snart kan bli en oumbärlig ingrediens i elektroniska apparater. Tyvärr, både anskaffning av deuterium och tillgängliga tekniker för att berika kiselytor med det är mycket energieffektiva eller kräver mycket dyr deuteriumgas.

Lyckligtvis, vid Nagoya City University (NCU), Japan, ett team av forskare under ledning av professor Takahiro Matsumoto har hittat en energieffektiv strategi för att berika kiselytor med en utspädd deuteriumlösning. Den här studien, som publicerades i Material för fysisk granskning , genomfördes i samarbete med Dr. Takashi Ohhara från Japan Atomic Energy Agency och Dr. Yoshihiko Kanemitsu från Kyoto University.

Forskarna fann att en märklig utbytesreaktion från väte till deuterium kan förekomma på ytan av nanokristallint kisel (n-Si). De demonstrerade denna reaktion i tunna n-Si-filmer nedsänkta i en deuteriumhaltig lösning med användning av oelastisk neutronspridning. Denna spektroskopiteknik innefattar bestrålning av neutroner på ett prov och analys av de resulterande atomrörelserna eller kristallvibrationerna. Dessa experiment, i kombination med andra spektroskopimetoder och energiberäkningar baserade på kvantmekanik, avslöjade de bakomliggande mekanismerna som gynnar ersättning av väteavslutningar på ytan av n-Si med deuterium:Utbytesprocessen är nära besläktad med skillnader i ytvibrationslägen mellan väte- och deuteriumavslutade n-Si. "Vi uppnådde en fyrfaldig ökning av koncentrationen av ytdeuteriumatomer på n-Si i våra experiment utförda i vätskefasen, "framhäver Dr Matsumoto, "Vi föreslog också ett gasfasberikningsprotokoll för n-Si som, enligt våra teoretiska beräkningar, kan öka deuteriumberikningshastigheten 15-faldigt. "

Denna innovativa strategi för att utnyttja kvanteffekter på ytan av n-Si kan bana väg för nya metoder för att skaffa och använda deuterium. "Den effektiva väte-till-deuteriumutbytesreaktion som vi rapporterade kan leda till hållbara, ekonomiskt genomförbart, och miljövänliga deuteriumberikningsprotokoll, som leder till mer hållbar halvledarteknik, "avslutar Dr Matsumoto.

NCU -teamet uttalade också att "Det har teoretiskt förutsetts att ju tyngre vätet är, desto högre är utbytesreaktionens effektivitet. Således, vi kan förvänta oss mer effektiv anrikning av tritiumatomer på n-Si, vilket leder till möjligheten att rena tritiumförorenat vatten. Vi tror att det här är en fråga som måste lösas snabbt. "

Låt oss hoppas att resultaten av detta arbete tillåter oss att dra mer nytta av de tyngre isotoperna av väte utan att ta en vägtull på vår planet.