(Phys.org)—Conventionele membranen die worden gebruikt voor het zeven van atomaire en moleculaire soorten, kunnen niet worden geschaald naar het subatomaire niveau, waardoor ze niet in staat zijn waterstofisotoopionen (protonen, deuteronen en tritonen). Tegelijkertijd, er zijn geen huidige methoden om deze isotopen rechtstreeks te scheiden, en de huidige benaderingen zijn extreem energie-intensief en daarom duur - soms zelfs onbetaalbaar. Onlangs, echter, wetenschappers van de Universiteit van Manchester (VK) demonstreerden een roman, schaalbare en zeer competitieve benadering die monolagen van grafeen en boornitride gebruikt als extreem fijne zeven om waterstofisotopen te scheiden. Bovendien, naast het eenvoudige en robuuste zeefmechanisme van de nieuwe aanpak, het biedt eenvoudige opstellingen en de behoefte aan alleen water als invoer zonder dat er extra chemische verbindingen nodig zijn.

Dr. Marcelo Lozada-Hidalgo en Phys.org besprak de krant die hij en zijn collega's, onder leiding van Regius Professor &Royal Society Research Professor Sir Andre Geim, gepubliceerd in Wetenschap . "In ons vorige onderzoek ¹ of deuteronen door 2D-kristallen anders doordringen dan protonen, er is zeker hard gewerkt, " vertelt Lozada-Hidalgo Phys.org . "We moesten een groot aantal apparaten fabriceren, en rapporteerde over ongeveer 50, voor dit project om robuuste statistieken te verzamelen - maar de grootste uitdaging was het verklaren van de resultaten." De wetenschappers verwachtten dat deuteronen slechts iets langzamer zouden doordringen dan protonen (misschien een factor 1,5 of zo, maar zeker geen factor 10, Lozada-Hidalgo zegt). "Daarbovenop, de bestaande theorie voorspelde helemaal geen verschil! Uiteindelijk kwamen we erachter, maar het was een uitdaging omdat het vakgebied zeer interdisciplinair is, op het snijvlak van natuurkunde, scheikunde en materiaalkunde, en is ook erg nieuw – slechts twee jaar oud – dus er valt nog veel te ontdekken. Nogmaals, dat maakt het des te spannender."

Een contra-intuïtief resultaat, Lozada-Hidalgo voegt toe, vond hetzelfde isotoopeffect voor alle kristallen - een differentiële factor tien in permeatie tussen protonen en deuteronen. We zijn er eindelijk in geslaagd om het allemaal te begrijpen, maar het was zeker een tijdje een raadsel."

Het belangrijkste inzicht van het team, afgeleid van het gebruik van technieken die in hun vorige paper zijn ontwikkeld ¹ . "Het belangrijkste was het vermogen om een ​​groot aantal volledig gesuspendeerde één-atoom-dikke kristalmembranen van grafeen en hexagonaal boornitride te produceren, waardoor we interfaces konden scheiden door een membraan dat slechts één atoom dik is. We zijn er nu aan gewend in ons lab, maar het is echt opmerkelijk dat grafeen, een kristalnetwerk op atomaire schaal, kan subatomaire deeltjes zeven." Bovendien, vanwege zijn atomaire dunheid, de onderzoekers zijn in staat om fenomenen te onderzoeken die voorheen niet toegankelijk waren - en dat bij kamertemperatuur.

In hun huidige krant de wetenschappers stellen dat hun aanpak een concurrerende en schaalbare manier biedt voor waterstofisotoopverrijking. "Waterstof, deuterium en tritium – de drie isotopen van waterstof – hebben zeer vergelijkbare chemische eigenschappen, waardoor ze zeer moeilijk te scheiden zijn en een aantal van de meest energie-intensieve processen in de chemische industrie nodig zijn, " legt Lozada-Hidalgo uit. "Tot nu toe, er was geen directe scheidingsmethode voor waterstofisotopen, dus de oplossingen hoewel ingenieus, waren erg duur." Hij wijst erop dat de technologische implicatie van hun resultaten is dat grafeen en boornitride, in essentie, extreem fijne zeven – een bevinding die een grote impact kan hebben op, bijvoorbeeld, tritiumafval uit het water verwijderen. Dit zou vooral belangrijk zijn bij nucleaire ongevallen zoals de ramp in Fukushima, waar, terwijl zwaar radioactief afval zoals uranium met succes is verwijderd, tritium, vanwege de gelijkenis met waterstof (en dus met water) is het tot nu toe bijzonder moeilijk gebleken om het te verwijderen. In aanvulling, omdat grafeen de isotopen fysiek zeven met alleen water aan de invoer zonder extra chemische verbindingen, de energie- en proceskosten van deze isotopenscheiding zijn lager dan die van bestaande processen.

Een van de grote successen van het project, Lozada-Hidalgo zegt, toonde aan dat macroscopische scheuren en gaatjes in CVD-grafeen de efficiëntie van de aanpak niet beïnvloeden, omdat hydronen (een verzamelnaam voor de ionen van alle drie de waterstofisotopen - dat wil zeggen, protonen, deuteron en tritonen) worden alleen elektrochemisch gepompt door de grafeengebieden die elektrisch in contact staan. "We zijn erin geslaagd om apparaten te schalen tot centimeters, zonder die zouden we veel inzicht hebben gekregen in het protonentransportproces - maar toepassingen zouden nog een lange weg vooruit zijn. Om dit te doen, in een van onze experimenten gebruikten we grafeen tegelijkertijd als een elektrode en een protonzeef - een volledig nieuwe geometrie die alleen mogelijk is vanwege de buitengewone eigenschappen van grafeen." In deze geometrie gebruikten de onderzoekers een elektrische stroom om protonen door grafeen te pompen, waardoor de isotopen worden gezeefd.

"De echt geweldige eigenschap van deze geometrie, " benadrukt hij, "is dat het alleen protonen pompt in de regio's met grafeen omdat, heel eenvoudig, in de regio's waar grafeen afwezig is, is er geen protonpompvermogen. Deze geometrie is daarom zeer veerkrachtig tegen scheuren, die zeker zullen gebeuren in real-life apparaten."

De studie toonde ook aan dat grafeen niet het enige materiaal is dat als ionische zeef kan dienen, en bijvoorbeeld hexagonale boornitride (hBN) monolagen. "Boornitride is erg aantrekkelijk omdat het een nog betere protongeleider is dan grafeen, en zou daarom sneller zeven mogelijk maken." Het team richtte zich op grafeen, Lozada-Hidalgo-aantekeningen, omdat monolayer chemical vapour deposition (CVD) boornitride nog niet in grote hoeveelheden in de handel verkrijgbaar is.

De wetenschappers hebben ook andere plannen. "Vervolgens willen we werken met tritium, Lozada-Hidalgo vertelt: Phys.org , "Omdat we het in onze vorige experimenten niet konden gebruiken omdat het radioactief is. We zijn ervan overtuigd dat we dezelfde resultaten zullen vinden als met deuterium, maar het is niettemin interessant om het te demonstreren." Verder dan dat, hij voegt toe, omdat dit een heel nieuw onderzoeksgebied is, ze blijven nieuwe fenomenen ontdekken.

Zelfs als dit een nieuwe discipline is, er zijn andere onderzoeksgebieden die al kunnen worden gezien als potentieel profiterend van de studie van het team. "Chemische technologie is een voor de hand liggend vakgebied, maar het is er maar één van. Omdat waterstofisotopen worden gebruikt als tracers in chemische reacties, wij geloven dat ons onderzoek zeer interessante implicaties kan hebben in, bijvoorbeeld, biologie, waar uitgebreid onderzoek wordt gedaan naar de interactie van DNA en andere biomoleculen met grafeenmembranen. Chemie is een ander voorbeeld, waarin het uitvoeren van reacties met deuterium in plaats van waterstof de beperkende stappen in chemische processen opheldert. Eindelijk, "Lozada-Hidalgo besluit, "Er valt veel te onderzoeken met behulp van subatomisch selectieve membranen - de ultieme selectiviteit die een membraan kan vertonen - en tweedimensionale kristallen zijn de eerste membranen die dit vermogen laten zien. We zijn erg enthousiast over de mogelijkheden die op den duur zullen volgen!"

© 2016 Fys.org