Små filtre, store nyheder:Ny proces bruger grafen- og bornitrid-monolag til at adskille hydrogenionisotoper

(Phys.org)—Konventionelle membraner, der bruges til at sigte atomare og molekylære arter, kan ikke skalere til subatomært niveau, gør dem ude af stand til at adskille brintisotopioner (protoner, deuteroner og tritoner). På samme tid, der er ingen nuværende metoder til direkte at adskille disse isotoper, og nuværende tilgange er ekstremt energikrævende og derfor dyre - nogle gange uoverkommeligt. For nylig, imidlertid, forskere ved University of Manchester (UK) demonstrerede en roman, skalerbar og yderst konkurrencedygtig tilgang, der bruger monolag af grafen og bornitrid som ekstremt fine sigter til at adskille brintisotoper. I øvrigt, ud over den nye tilgangs enkle og robuste sigtemekanisme, det tilbyder ligetil opsætninger og behovet for kun vand som input uden at kræve yderligere kemiske forbindelser.

Dr. Marcelo Lozada-Hidalgo og Phys.org diskuterede papiret, som han og hans kolleger, ledet af Regius Professor &Royal Society Research Professor Sir Andre Geim, udgivet i Videnskab . "I vores tidligere undersøgelse ¹ om deuteroner trænger gennem 2D-krystaller anderledes end protoner, der var bestemt meget hårdt arbejde involveret, " fortæller Lozada-Hidalgo Phys.org . "Vi var nødt til at fremstille et stort antal enheder, og rapporterede om omkring 50, for dette projekt for at indsamle robuste statistikker - men hovedudfordringen var at forklare resultaterne." Forskerne forventede, at deuteroner kun ville trænge lidt langsommere end protoner (måske en faktor på 1,5 eller deromkring, men bestemt ikke en faktor 10, Lozada-Hidalgo siger). "Oven i købet, den eksisterende teori forudsagde overhovedet ingen forskel! Vi fandt ud af det til sidst, men det var udfordrende, fordi feltet er meget tværfagligt, være i skæringspunktet mellem fysik, kemi og materialevidenskab, og er også meget ny – kun to år gammel – så der er stadig meget at finde ud af. Så igen, det gør det hele mere spændende."

Et kontraintuitivt resultat, Lozada-Hidalgo tilføjer, fandt den samme isotopeffekt for alle krystaller - en differentialfaktor på ti i permeation mellem protoner og deuteroner. Det lykkedes os endelig at forstå det hele - men det var bestemt gådefuldt i et stykke tid."

Holdets nøgleindsigt stammer fra udnyttelsesteknikker udviklet i deres tidligere papir ¹ . "Det vigtigste var evnen til at producere et stort antal fuldt suspenderede et-atom-tykke krystalmembraner af grafen og sekskantet bornitrid, hvilket gjorde det muligt for os at adskille grænseflader med en membran, der kun er et atom tyk. Vi er vant til det i vores laboratorium nu, men det er virkelig bemærkelsesværdigt, at grafen, et krystalnet på atomare skala, kan sigte subatomære partikler." Desuden, på grund af dets atomare tyndhed, forskerne er i stand til at sondere ind i fænomener, som var umulige at få adgang til før – og det ved stuetemperatur.

I deres nuværende papir, forskerne udtaler, at deres tilgang tilbyder en konkurrencedygtig og skalerbar måde at berige brintisotoper på. "Brint, deuterium og tritium – de tre isotoper af brint – har meget ens kemiske egenskaber, hvilket gør dem meget svære at adskille og kræver nogle af de mest energikrævende processer i den kemiske industri, Lozada-Hidalgo forklarer. "Indtil nu, der var ingen direkte separationsmetode for brintisotoper, så løsningerne, mens den er genial, var meget dyre." Han påpeger, at den teknologiske implikation af deres resultater er, at grafen og bornitrid er, i det væsentlige, ekstremt fine sigter – et fund, der kan have stor indflydelse på, for eksempel, fjernelse af tritiumaffald fra vand. Dette ville være særligt vigtigt i nukleare ulykker som Fukushima-katastrofen, hvor tungt radioaktivt affald såsom uran er blevet fjernet med succes, tritium, på grund af dets lighed med brint (og derfor med vand) har det indtil videre vist sig at være særligt udfordrende at fjerne. Ud over, fordi grafen fysisk sigter isotoperne ved kun at bruge vand ved indgangen uden yderligere kemiske forbindelser, energi- og procesomkostninger forbundet med denne isotopadskillelsesmetode er lavere end ved eksisterende processer.

En af projektets store succeser, Lozada-Hidalgo siger, viste, at makroskopiske revner og nålehuller til stede i CVD-grafen ikke påvirker tilgangens effektivitet, fordi hydroner (et fællesnavn for ionerne af alle tre brintisotoper – dvs. protoner, deuteron og tritoner) pumpes kun elektrokemisk gennem de grafenområder, der er elektrisk berørt. "Vi formåede at skalere enheder til centimeterstørrelser, uden hvilken vi ville have opnået betydelig indsigt i protontransportprocessen – men ansøgninger ville stadig være langt fremme. For at gøre det, i et af vores eksperimenter brugte vi grafen samtidigt som en elektrode og en protonsigte – en helt ny geometri, der kun er mulig på grund af grafenens ekstraordinære egenskaber." I denne geometri brugte forskerne en elektrisk strøm til at pumpe protoner gennem grafen, derved sigte isotoperne.

"Den virkelig store egenskab ved denne geometri, " understreger han, "er, at det kun pumper protoner i de områder, der har grafen, fordi ganske enkelt, i de områder, hvor grafen er fraværende, er der ingen protonpumpekapacitet. Denne geometri er derfor meget modstandsdygtig overfor revner, som er bundet til at ske i virkelige enheder."

Undersøgelsen viste også, at grafen ikke er det eneste materiale, der kan tjene som en ionisk sigte, og eksempel er hexagonale bornitrid (hBN) monolag. "Boronitrid er meget attraktivt, fordi det er en endnu bedre protonleder end grafen, og ville derfor give mulighed for hurtigere sigtning." Holdet fokuserede på grafen, Lozada-Hidalgo bemærker, fordi monolag kemisk dampaflejring (CVD) bornitrid endnu ikke er kommercielt tilgængelig i store mængder.

Forskerne har også andre planer. "Derefter vil vi arbejde med tritium, Lozada-Hidalgo fortæller Phys.org , "da vi ikke kunne bruge det i vores tidligere eksperimenter, fordi det er radioaktivt. Vi er sikre på, at vi vil finde de samme resultater som med deuterium - men det er alligevel interessant at demonstrere det." Udover det, tilføjer han, dette er et meget nyt forskningsfelt, de fortsætter med at opdage nye fænomener.

Selvom dette er en ny disciplin, der er andre forskningsområder, der allerede kan ses som potentielt drage fordel af holdets undersøgelse. "Kemiteknik er et oplagt felt, men det er bare en af ​​dem. Fordi brintisotoper bruges som sporstoffer i kemiske reaktioner, vi mener, at vores forskning kan have meget interessante implikationer i, for eksempel, biologi, hvor der forskes omfattende i samspillet mellem DNA og andre biomolekyler med grafenmembraner. Kemi er et andet eksempel, hvor udførelse af reaktioner med deuterium i stedet for brint belyser de begrænsende trin i kemiske processer. Endelig, " konkluderer Lozada-Hidalgo, "der er meget at undersøge ved at bruge subatomisk selektive membraner – den ultimative selektivitet en membran kan vise – og todimensionelle krystaller er de første membraner, der viser denne evne. Vi er meget begejstrede for mulighederne hen ad vejen!"

© 2016 Phys.org