deuterium, een zwaardere maar minder overvloedige versie van het waterstofatoom, heeft veel praktische toepassingen. Helaas, het produceren van deuterium en het gebruik ervan om op silicium gebaseerde halfgeleiders te beschermen vereist veel energie en zeer duur deuteriumgas. Nutsvoorzieningen, wetenschappers uit Japan hebben een energie-efficiënte uitwisselingsreactie ontdekt om waterstofatomen te ruilen voor deuterium op het oppervlak van nanokristallijn silicium. Hun resultaten effenen de weg naar duurzamere elektronische apparaten terwijl de kosten en de impact op het milieu laag blijven.

De ontdekking van isotopen begin 20 ^e eeuw markeerde een sleutelmoment in de geschiedenis van de natuurkunde en leidde tot een veel verfijnder begrip van de atoomkern. Isotopen zijn 'versies' van een bepaald element van het periodiek systeem met hetzelfde aantal protonen maar een ander aantal neutronen, en dus variëren in massa. Deze verschillen in massa kunnen bepaalde fysische eigenschappen van de atomen radicaal veranderen, zoals hun radioactief verval, hun mogelijke reactiepaden in kernsplijtingsreactoren, en nog veel meer.

Hoewel de meeste isotopen van een element vergelijkbare chemische eigenschappen hebben, er is één opvallende uitzondering:waterstofisotopen. De meeste waterstofatomen op aarde bevatten slechts één proton en één elektron, maar er bestaan ​​waterstofisotopen die ook één neutron (deuterium) of twee neutronen (tritium) hebben. deuterium, die in wezen twee keer zoveel weegt als 'gewone' waterstof, heeft veel praktische en wetenschappelijke toepassingen gevonden. Bijvoorbeeld, het kan worden gebruikt om moleculen zoals eiwitten te labelen en te volgen om biochemische processen te onderzoeken. Het kan ook strategisch worden gebruikt in medicijnen om hun stofwisseling te verminderen en hun halfwaardetijd in het lichaam te verlengen.

Een andere belangrijke toepassing van deuterium bestaat op het gebied van halfgeleiderelektronica. Het oppervlak van op silicium gebaseerde halfgeleiders moet worden 'gepassiveerd' met waterstof om ervoor te zorgen dat siliciumatomen niet gemakkelijk loskomen (desorberen), waardoor de duurzaamheid van microchips wordt vergroot, batterijen, en zonnecellen. Echter, via mechanismen die nog steeds niet volledig worden begrepen, passivering met deuterium in plaats van waterstof resulteert in desorptiekansen die ongeveer honderd keer lager zijn, wat impliceert dat deuterium binnenkort een onmisbaar ingrediënt in elektronische apparaten kan worden. Helaas, zowel de aanschaf van deuterium als de beschikbare technieken om siliciumoppervlakken ermee te verrijken zijn zeer energie-inefficiënt of vereisen zeer duur deuteriumgas.

Gelukkig, aan de Nagoya City University (NCU), Japan, een team van wetenschappers onder leiding van professor Takahiro Matsumoto heeft een energie-efficiënte strategie gevonden om siliciumoppervlakken te verrijken met behulp van een verdunde deuteriumoplossing. Deze studie, die werd gepubliceerd in Fysiek beoordelingsmateriaal , werd uitgevoerd in samenwerking met Dr. Takashi Ohhara van Japan Atomic Energy Agency en Dr. Yoshihiko Kanemitsu van de Universiteit van Kyoto.

De onderzoekers ontdekten dat op het oppervlak van nanokristallijn silicium (n-Si) een eigenaardige uitwisselingsreactie van waterstof naar deuterium kan plaatsvinden. Ze demonstreerden deze reactie in dunne n-Si-films ondergedompeld in een deuteriumbevattende oplossing met behulp van inelastische neutronenverstrooiing. Deze spectroscopietechniek omvat het bestralen van neutronen op een monster en het analyseren van de resulterende atomaire bewegingen of kristaltrillingen. Deze experimenten, gekoppeld aan andere spectroscopiemethoden en energieberekeningen op basis van kwantummechanica, onthulde de onderliggende mechanismen die de vervanging van waterstofterminaties op het oppervlak van n-Si door deuterium bevorderen:het uitwisselingsproces hangt nauw samen met verschillen in de trillingsmodi van het oppervlak tussen waterstof- en deuterium-getermineerd n-Si. "We bereikten een viervoudige toename van de concentratie van oppervlaktedeuteriumatomen op n-Si in onze experimenten uitgevoerd in de vloeibare fase, benadrukt Dr. Matsumoto, "We hebben ook een gasfaseverrijkingsprotocol voor n-Si voorgesteld dat, volgens onze theoretische berekeningen, zou de snelheid van deuteriumverrijking 15-voudig kunnen verhogen."

Deze innovatieve strategie om kwantumeffecten op het oppervlak van n-Si te benutten, zou de weg kunnen banen naar nieuwe methoden om deuterium te verkrijgen en te gebruiken. "De efficiënte waterstof-naar-deuterium-uitwisselingsreactie die we hebben gerapporteerd, kan leiden tot duurzame, economisch haalbaar, en milieuvriendelijke deuteriumverrijkingsprotocollen, wat leidt tot duurzamere halfgeleidertechnologie, " concludeert Dr. Matsumoto.

Het NCU-team verklaarde ook dat "theoretisch is voorspeld dat hoe zwaarder de waterstof is, hoe hoger de efficiëntie van de uitwisselingsreactie. Dus, we kunnen een efficiëntere verrijking van tritiumatomen op n-Si verwachten, wat leidt tot de mogelijkheid om met tritium verontreinigd water te zuiveren. Wij zijn van mening dat dit een probleem is dat dringend moet worden opgelost."

Laten we hopen dat de bevindingen van dit werk ons ​​in staat stellen meer te profiteren van de zwaardere isotopen van waterstof zonder onze planeet te belasten.