科學：微小的過濾器，新工藝使用石墨烯和分離氫離子同位素！
Marcelo Lozada-Hidalgo博士和Phys.org博士討論了他和他的同事們，他們由Regius教授和皇家學會研究教授Andre Geim爵士領導，發表在「科學」雜誌上。「在我們之前的調查1中，氘核是否透過二維晶體與質子不同，肯定會有很多艱苦的工作，」Lozada-Hidalgo告訴Phys.org。「為了收集可靠的統計數據，我們必須為這個項目製作大量設備，並報告大約50個，但主要的挑戰是解釋結果。」科學家們預計氘核的滲透速度只會比質子略慢（可能是1.5左右，但肯定不是10倍，Lozada-Hidalgo說）。「最重要的是，現有的理論根本沒有預測到任何差異！我們在最後確定了它，但它具有挑戰性，因為該領域是高度跨學科的，處於物理，化學和材料科學的交叉點，也是非常新 - 只有兩年 - 所以還有很多要弄清楚。然後再次，這使得它更令人興奮。
Lozada-Hidalgo補充說，一個違反直覺的結果就是找到了所有晶體的同位素效應相同 - 質子和氘核之間滲透的差異係數為10。我們終於理解了所有這一切 - 但它確實令人費解了一段時間。「
該團隊的主要見解源於他們之前的論文中開發的槓桿技術1。「最重要的是能夠生產大量完全懸浮的單原子厚度的石墨烯和六方氮化硼晶體膜，這使得我們可以通過僅一個原子厚度的膜分離界面。我們已經習慣了它現在在我們的實驗室中，但石墨烯，原子級晶體網，可以篩分亞原子粒子真的很了不起。「此外，由於其原子薄度，研究人員能夠探測之前無法獲得的現象 - 並且在室溫下這樣做。
在他們目前的論文中，科學家們表示他們的方法為氫同位素富集提供了一種有競爭力和可擴展的方式。「氫，氘和氚 - 氫的三種同位素 - 具有非常相似的化學性質，這使得它們很難分離，並且需要化學工業中一些最耗能的工藝，」Lozada-Hidalgo解釋說。「到目前為止，還沒有氫同位素的直接分離方法，所以這些解決方案雖然巧妙，卻非常昂貴。」他指出，其結果的技術含義是，石墨烯和氮化硼實質上是非常精細的篩子 - 這一發現可能會對例如從水中去除氚廢物產生巨大影響。這在像福島災難這樣的核事故中尤其重要，雖然已成功去除鈾等重放射性廢物，但由於其與氫（因此與水）的相似性，氚已被證明特別具有挑戰性。此外，由於石墨烯在沒有額外化學化合物的情況下僅使用輸入水來物理地篩分同位素，因此與該同位素分離方法相關的能量和工藝成本低於現有工藝。
該項目取得的巨大成功之一，Lozada-Hidalgo表示，CVD石墨烯中存在的宏觀裂縫和針孔不會影響該方法的效率，因為氫氣（所有三種氫同位素離子的統稱 - 即質子） ，氘核和氚核僅通過電接觸的石墨烯區域進行電化學泵浦。「我們設法將設備擴展到釐米尺寸，沒有它我們就可以獲得對質子傳輸過程的重要洞察力 - 但是應用仍然需要很長時間。為此，在我們的一個實驗中，我們同時使用石墨烯作為電極還有一個質子篩 - 一種全新的幾何形狀，僅僅因為石墨烯具有非凡的特性。
這種幾何形狀的真正重要特徵，」他強調說，「它只能在石墨烯區域泵浦質子，因為很簡單，在石墨烯不存在的區域沒有質子泵能力。因此這種幾何形狀非常在現實設備中必然會出現裂縫，該研究還表明，石墨烯不是唯一可用作離子篩的材料，例如六方氮化硼（hBN）單層。「氮化硼非常有吸引力，因為它是比石墨烯更好的質子導體，因此可以更快地進行篩分。」 Lozada-Hidalgo指出，該團隊專注於石墨烯，因為單層化學氣相沉積（CVD）氮化硼尚未大量商業化。
科學家也有其他計劃。「接下來我們想與氚一起工作，Lozada-Hidalgo告訴Phys.org，」因為我們之前的實驗不能使用它，因為它具有放射性。我們相信我們會發現與氘相同的結果 - 但它仍然很有趣地展示它。「除此之外，他補充說，這是一個非常新的研究領域，他們繼續發現新的現象。
即使這是一門新學科，也有其他研究領域可以被視為可能從團隊的研究中受益。「化學工程是一個顯而易見的領域，但它只是其中之一。因為氫同位素在化學反應中被用作示蹤劑，我們相信我們的研究可能具有非常有趣的意義，例如，生物學，其中對DNA和其他生物分子與石墨烯膜的相互作用進行了廣泛的研究。化學是另一個例子，其中用氘代替氫進行反應闡明了化學過程中的限制步驟。最後，「Lozada-Hidalgo總結說，」使用亞原子選擇性膜 - 膜可以顯示的最終選擇性 - 進行研究有很多 - 而二維晶體是第一個顯示這種能力的膜。我們對未來的可能性感到非常興奮