Den mindste si nogensinde adskiller atomer

Forskere ved University of Manchester har opdaget, at de naturligt forekommende huller mellem individuelle lag af todimensionelle materialer kan bruges som en sigte til at adskille forskellige atomer.

Skriver ind Natur nanoteknologi , Manchester-forskerne viser, at brint og deuterium - to brintisotoper - kan adskilles, hvis de skubbes gennem minimale mellemrum mellem atomisk tynde materialer såsom hexagonalt bornitrid eller molybdændisulfid.

I lighed med grafen kan disse materialer eksistere i et todimensionelt (2-D) lag og udvise unikke egenskaber på grund af deres fysiske struktur. Stabling af forskellige 2-D krystaller kan tillade skabelsen af ​​skræddersyede multifunktionelle materialer, der er skræddersyet til specifikke formål.

Manchester-holdet ledet af Sir Andre Geim rapporterede, at nogle 2-D lagdelte krystaller kan bruges som det mindst mulige mesh til at skabe subatomare sigter. Ved første øjekast, der er ingen plads tilbage mellem de atomare tynde lag af krystallerne, fordi de er tæt stablet oven på hinanden.

Men holdet opdagede, at der eksisterede små huller ved at tvinge brintisotoper til at passere gennem de minimale hulrum. Ved at gøre det, holdet formåede at adskille disse isotoper ved stuetemperatur, udnytter et eksotisk fænomen, kendt som kvantesigtning.

Isotopadskillelse er typisk en meget energikrævende operation, som bruges i nuklear, medicinske og forskningsmæssige sektorer. Hydrogen og deuterium - isotoper af brint - har samme størrelse, hvis de betragtes som klassiske partikler, men er ret forskellige i størrelse som bølger, hvis deres kvantenatur tages i betragtning.

Deuterium har en kortere bølgelængde end brint, hvilket gør det lettere at passere gennem små kapillærer og blive adskilt fra brint. Denne sigtemekanisme, kendt som kvantesigtning, udnytter en egenskab kendt som 'stoffets partikelbølge-dualitet' – et velkendt fysikfænomen. Imidlertid, ekstremt lave temperaturer kræves typisk for at observere det.

At observere stof, der opfører sig som bølger ved stuetemperatur, kræver meget finere sigter, dette har hidtil været umuligt at opnå. Nu, Manchester-teamet har vist, at 2-D materialer kan give sådanne sigter, og at disse sigter kan bruges til at adskille brintisotoper ved stuetemperatur. Dette kunne give mulighed for at adskillelsesprocessen bliver meget mere effektiv.

Dr. Sheng Hu, som var den første forfatter til denne undersøgelse, sagde:"Kvantefænomener er meget sjældne ved stuetemperatur. For at observere stofbølger er det normalt nødvendigt at fremstille sofistikerede genstande såsom magneto-optiske fælder eller gå til kryogene temperaturer. Vi demonstrerer et eksperimentelt setup, der giver os mulighed for at se disse eksotiske kvantefænomener ved stuetemperatur."

I de fleste andre materialer, den tungere isotop – i dette tilfælde deuterium – ville rejse langsommere end den lettere – brint. I modsætning, Manchester-holdet fandt ud af, at deuterium pressede lettere gennem huller i disse krystaller end brint. Årsagen blev vist at være den tungere masse af deuterium, som udmønter sig i en kortere bølgelængde og derfor tillader lettere passage gennem de smalleste gitter.

Dr. Marcelo Lozada, den tilsvarende forfatter i denne undersøgelse, tilføjet:"En halv ångstrøm er virkelig den absolutte grænse for, hvordan stof kan begrænses. Man kan kun spekulere i, hvilken slags fænomener der kan opstå i denne skala. Vi kan nu bruge lagdelte krystaller til at undersøge nærmere i i det væsentlige et eksperiment på bænken."

Forskerne er optimistiske med hensyn til konsekvenserne af denne opdagelse og fortsætter med at undersøge disse lagdelte krystaller i kombination med andre materialer til isotopadskillelse. Denne teknologi kan supplere tidligere opdagelser fra Manchester-gruppen. Sidste år viste den samme gruppe, at grafenmembraner kan give den mest effektive teknologi til adskillelse af brintisotoper.