Forskare vid University of Manchester har upptäckt att de naturligt förekommande luckorna mellan enskilda lager av tvådimensionella material kan användas som en sil för att separera olika atomer.

Skriver in Naturnanoteknik , Manchester -forskarna visar att väte och deuterium - två väteisotoper - kan separeras om de skjuts genom små utrymmen mellan atomtunna material som hexagonal bornitrid eller molybdendisulfid.

I likhet med grafen kan dessa material existera i ett tvådimensionellt (2-D) lager och uppvisa unika egenskaper på grund av deras fysiska struktur. Att stapla olika 2-D-kristaller kan göra det möjligt att skapa skräddarsydda multifunktionella material skräddarsydda för specifika ändamål.

Manchester-laget under ledning av Sir Andre Geim rapporterade att några 2-D-skiktade kristaller kan användas som minsta möjliga nät för att skapa sub-atomiska siktar. Vid första ögonkastet, det finns inget utrymme kvar mellan de atomiskt tunna skikten av kristallerna eftersom de är tätt staplade ovanpå varandra.

Men teamet upptäckte att det fanns små luckor genom att framgångsrikt tvinga väteisotoper att passera genom de små hålrummen. Genom att göra så, laget lyckades separera dessa isotoper vid rumstemperatur, utnyttja ett exotiskt fenomen, känd som kvantsiktning.

Isotopseparation är vanligtvis en mycket energiintensiv operation som används i kärnkraft, medicinska och forskningssektorer. Väte och deuterium - isotoper av väte - har samma storlek om de betraktas som klassiska partiklar men är ganska olika i storlek som vågor om deras kvantitet beaktas.

Deuterium har en kortare våglängd än väte, vilket gör det lättare att passera genom små kapillärer och separeras från väte. Denna siktmekanism, känd som kvantsiktning, utnyttjar ett attribut som kallas 'partikelvågens dualitet av materia'-ett välkänt fysikfenomen. Dock, extremt låga temperaturer krävs vanligtvis för att observera det.

Att observera materia som beter sig som vågor vid rumstemperatur kräver mycket finare silar, detta har hittills varit omöjligt att uppnå. Nu, Manchester-laget har visat att 2-D-material kan tillhandahålla sådana siktar och att dessa siktar kan användas för att separera väteisotoper vid rumstemperatur. Detta kan göra det möjligt för separationsprocessen att bli mycket mer effektiv.

Dr Sheng Hu som var den första författaren till denna studie sa:"Kvantfenomen är mycket sällsynta vid rumstemperatur. För att observera materiavågor är det normalt nödvändigt att tillverka sofistikerade tillbehör som magneto-optiska fällor eller gå till kryogena temperaturer. Vi demonstrerar en experimentell inställning som gör att vi kan se dessa exotiska kvantfenomen vid rumstemperatur. "

I de flesta andra material, den tyngre isotopen - i detta fall deuterium - skulle färdas långsammare än den lättare - väte. I kontrast, Manchester -laget fann att deuterium klämde lättare genom luckor i dessa kristaller än väte. Orsaken visade sig vara den tyngre massan av deuterium, som översätts till en kortare våglängd och därför möjliggör enklare passage genom de smalaste gallren.

Dr Marcelo Lozada, motsvarande författare i denna studie, tillade "En halv ångström är egentligen den absoluta gränsen för hur materia kan begränsas. Man kan bara spekulera om vilken typ av fenomen som kan uppstå i denna skala. Vi kan nu använda skiktade kristaller för att undersöka vidare i väsentligen ett bänkskiva."

Forskarna är optimistiska om konsekvenserna av denna upptäckt och fortsätter att undersöka dessa skiktade kristaller i kombination med andra material för isotopseparation. Denna teknik kan komplettera tidigare upptäckter från Manchester -gruppen. Förra året visade samma grupp att grafenmembran kan tillhandahålla den mest effektiva tekniken för väteisotopseparation.