Grafen kan förenkla produktionen av tungt vatten och hjälpa till att rena kärnavfall genom att filtrera olika isotoper av väte, University of Manchester forskning visar.

Att skriva i naturvetenskap, ett team ledd av Sir Andre Geim visade att användning av membran gjorda av grafen kan fungera som ett såll, separera protoner – kärnor av väte – från tyngre kärnor av väteisotop deuterium.

Processen kan innebära att produktion av tungt vatten till kärnkraftverk kan bli tio gånger mindre energikrävande, enklare och billigare med grafen.

En av väteisotoperna, deuterium, används i stor utsträckning inom analytisk och kemisk spårningsteknik och, också, som tungt vatten som krävs i tusentals ton för drift av kärnkraftverk.

Den tyngsta isotopen, tritium, är radioaktivt och måste avlägsnas på ett säkert sätt som en biprodukt av elproduktion vid kärnklyvningsanläggningar. Framtida kärnteknik bygger på fusion av de två tunga isotoperna.

Den nuvarande separationstekniken för produktion av tungt vatten är extremt energikrävande, och har presenterat ett stort vetenskapligt och industriellt problem. Nu gör grafenlöften det effektivt.

Forskare testade om deuteroner – kärnor av deuterium – kan passera genom grafen och dess systermaterial bornitrid. De förväntade sig fullt ut att deuteroner lätt skulle passera, eftersom existerande teori inte förutspådde någon skillnad i permeation för båda isotoper.

Forskarna blev förvånade över att finna att deuteroner inte bara effektivt siktades ut av deras enatomtjocka membran, men siktades med hög separationseffektivitet.

Upptäckten gör monolager av grafen och bornitrid attraktiva som separationsmembran för att berika blandningar av deuterium och tritium.

Vidare, forskarna visade att separationen är fullt skalbar. Använder kemiskt ångavsatt (CVD) grafen, de byggde centimeterstora enheter för att effektivt pumpa ut väte från en blandning av deuterium och väte.

Dr Marcelo Lozada-Hidalgo, University of Manchester postdoktor och första författare till artikeln, sa:"Detta är verkligen det första membranet som har visat sig skilja mellan subatomära partiklar, allt i rumstemperatur.

"Nu när vi visade att det är en helt skalbar teknik, vi hoppas att det snabbt kommer att hitta sin väg till riktiga tillämpningar."

Professor Irina Grigorieva, som var medförfattare till forskningen, sa:"Vi blev förvånade över att se att ett membran kan användas för att separera subatomära partiklar.

"Det är en väldigt enkel uppsättning. Vi hoppas kunna se tillämpningar av dessa filter inte bara inom analytisk och kemisk spårningsteknik utan också för att hjälpa till att rena kärnavfall från radioaktivt tritium."