(Phys.org) —Konventionella membran som används för siktning av atom- och molekylart kan inte skala till den subatomära nivån, gör att de inte kan separera väteisotopjoner (protoner, deuteroner och tritoner). På samma gång, det finns inga nuvarande metoder för att direkt separera dessa isotoper, och nuvarande tillvägagångssätt är extremt energikrävande och därför dyra-ibland oöverkomligt. Nyligen, dock, forskare vid University of Manchester (UK) visade en roman, skalbar och mycket konkurrenskraftig metod som använder monoskikt av grafen och bornitrid som extremt fina siktar för att separera väteisotoper. Dessutom, förutom den nya metodens enkla och robusta siktmekanism, det erbjuder enkla inställningar och behovet av endast vatten som tillförsel utan att kräva ytterligare kemiska föreningar.

Dr Marcelo Lozada-Hidalgo och Phys.org diskuterade tidningen att han och hans kollegor, ledd av Regius Professor &Royal Society Research Professor Sir Andre Geim, publicerad i Vetenskap . "I vår tidigare utredning ¹ om deuteroner genomsyrar genom 2D -kristaller annorlunda än protoner, det var verkligen mycket hårt arbete inblandat, "Berättar Lozada-Hidalgo Phys.org . "Vi var tvungna att tillverka ett stort antal enheter, och rapporterade om cirka 50, för detta projekt för att samla in robust statistik - men den största utmaningen var att förklara resultaten. "Forskarna förväntade sig att deuteroner bara skulle tränga in något långsammare än protoner (kanske en faktor 1,5 eller så, men absolut inte en faktor 10, Lozada-Hidalgo säger). "Dessutom, den befintliga teorin förutsade inte någon skillnad alls! Vi kom på det i slutet men det var utmanande eftersom fältet är mycket tvärvetenskapligt, befinner sig i skärningspunkten mellan fysik, kemi och materialvetenskap, och är också väldigt ny - bara två år gammal - så det finns fortfarande mycket att ta reda på. Sedan igen, det gör det ännu mer spännande. "

Ett motintuitivt resultat, Lozada-Hidalgo tillägger, hittade samma isotopeffekt för alla kristaller - en differensfaktor på tio i genomträngning mellan protoner och deuteroner. Vi lyckades äntligen förstå det hela - men det var verkligen förbryllande ett tag. "

Teamets viktigaste insikt härrör från hävstångstekniker som utvecklats i deras tidigare uppsats ¹ . "Det viktigaste var förmågan att producera ett stort antal fullt suspenderade enatomtjocka kristallmembran av grafen och sexkantiga bornitrid, vilket gjorde att vi kunde separera gränssnitt med ett membran som bara är en atom tjockt. Vi är vana vid det i vårt labb nu, men det är verkligen anmärkningsvärt att grafen, ett kristallnät i atomskala, kan sikta subatomära partiklar. "Dessutom, på grund av dess atomära tunnhet, forskarna kan undersöka fenomen som var omöjliga att komma åt tidigare - och att göra det vid rumstemperatur.

I deras nuvarande tidning, forskarna konstaterar att deras tillvägagångssätt erbjuder ett konkurrenskraftigt och skalbart sätt för väteisotopberikning. "Väte, deuterium och tritium - de tre isotoperna av väte - har mycket liknande kemiska egenskaper, vilket gör dem mycket svåra att separera och kräver några av de mest energikrävande processerna inom den kemiska industrin, "Förklarar Lozada-Hidalgo." Tills nu har det fanns ingen direkt separationsmetod för väteisotoper, så lösningarna, medan genial, var mycket dyra. "Han påpekar att den tekniska implikationen av deras resultat är att grafen och bornitrid är, i huvudsak, extremt fina siktar - ett fynd som kan ha stor inverkan på, till exempel, avlägsna tritiumavfall från vatten. Detta skulle vara särskilt viktigt vid kärnkraftsolyckor som Fukushima -katastrofen, där tungt radioaktivt avfall som uran framgångsrikt har tagits bort, tritium, på grund av dess likhet med väte (och därför till vatten) har hittills visat sig vara särskilt utmanande att ta bort. Dessutom, eftersom grafen fysiskt siktar isotoperna med endast vatten vid ingången utan ytterligare kemiska föreningar, energi- och processkostnader förknippade med denna isotopseparationsmetod är lägre än för befintliga processer.

En av projektets stora framgångar, Lozada-Hidalgo säger, visade att makroskopiska sprickor och hål i CVD -grafen inte påverkar tillvägagångssättets effektivitet eftersom hydroner (ett samlingsnamn för jonerna i alla tre väteisotoper - det vill säga protoner, deuteron och tritoner) pumpas endast elektrokemiskt genom grafenområdena som är elektriskt kontaktade. "Vi lyckades skala enheter till centimeterstorlekar, utan vilken vi skulle ha fått en betydande inblick i protontransportprocessen - men applikationer skulle fortfarande vara långt kvar. Att göra så, i ett av våra experiment använde vi grafen samtidigt som en elektrod och en protonsikt - en helt ny geometri möjlig endast på grund av grafens extraordinära egenskaper. "I denna geometri använde forskarna en elektrisk ström för att pumpa protoner genom grafen, därigenom siktar isotoperna.

"Den riktigt bra egenskapen med denna geometri, "betonar han, "är att den bara pumpar protoner i de regioner som har grafen eftersom, helt enkelt, i de regioner där grafen saknas finns det ingen protonpumpskapacitet. Denna geometri är därför mycket motståndskraftig mot sprickor, som kommer att hända i verkliga enheter. "

Studien visade också att grafen inte är det enda materialet som kan fungera som en jonsikt, och exempel är hexagonal bornitrid (hBN) monolager. "Bornitrid är mycket attraktivt eftersom det är en ännu bättre protondirigent än grafen, och skulle därför möjliggöra snabbare siktning. "Teamet fokuserade på grafen, Lozada-Hidalgo anteckningar, eftersom monlagerskemisk ångavsättning (CVD) bornitrid ännu inte är kommersiellt tillgängligt i stora mängder.

Forskarna har också andra planer. "Därefter vill vi arbeta med tritium, Lozada-Hidalgo berättar Phys.org , "eftersom vi inte kunde använda det i våra tidigare experiment eftersom det är radioaktivt. Vi är övertygade om att vi kommer att hitta samma resultat som med deuterium - men det är ändå intressant att demonstrera det." Bortom det, han lägger till, detta är ett mycket nytt forskningsområde, de fortsätter att upptäcka nya fenomen.

Även om detta är en ny disciplin, det finns andra forskningsområden som redan kan ses som potentiellt gynnande av teamets studie. "Kemiteknik är ett självklart område, men det är bara en av dem. Eftersom väteisotoper används som spårämnen vid kemiska reaktioner, vi tror att vår forskning kan ha mycket intressanta konsekvenser för, till exempel, biologi, där det finns omfattande forskning om samspelet mellan DNA och andra biomolekyler med grafenmembran. Kemi är ett annat exempel, där ledande reaktioner med deuterium istället för väte belyser de begränsande stegen i kemiska processer. Till sist, "Lozada-Hidalgo avslutar, "det finns mycket att undersöka med hjälp av subatomiskt selektiva membran-den ultimata selektiviteten ett membran kan visa-och tvådimensionella kristaller är de första membranen som visar denna förmåga. Vi är mycket glada över möjligheterna på vägen!"

© 2016 Phys.org