Onderzoekers van de Universiteit van Manchester hebben ontdekt dat de natuurlijk voorkomende openingen tussen afzonderlijke lagen van tweedimensionale materialen kunnen worden gebruikt als een zeef om verschillende atomen te scheiden.

Inschrijven Natuur Nanotechnologie , de Manchester-wetenschappers laten zien dat waterstof en deuterium - twee waterstofisotopen - kunnen worden gescheiden als ze door minuscule ruimtes tussen atomair dunne materialen zoals hexagonaal boornitride of molybdeendisulfide worden geduwd.

Net als grafeen kunnen deze materialen bestaan ​​in een tweedimensionale (2-D) laag en unieke eigenschappen vertonen vanwege hun fysieke structuur. Door verschillende 2D-kristallen te stapelen, kunnen op maat gemaakte multifunctionele materialen worden gemaakt die zijn afgestemd op specifieke doeleinden.

Het Manchester-team onder leiding van Sir Andre Geim meldde dat sommige 2-D gelaagde kristallen kunnen worden gebruikt als het kleinst mogelijke gaas om subatomaire zeven te maken. Op het eerste gezicht, er is geen ruimte meer tussen de atomair dunne lagen van de kristallen omdat ze dicht op elkaar zijn gestapeld.

Het team ontdekte echter dat er kleine openingen bestonden door waterstofisotopen met succes door de minuscule holtes te dwingen. Door het zo te doen, het team slaagde erin deze isotopen bij kamertemperatuur te scheiden, het exploiteren van een exotisch fenomeen, bekend als kwantum zeven.

Isotopenscheiding is typisch een zeer energie-intensieve operatie die wordt gebruikt in nucleaire, medische en onderzoekssectoren. Waterstof en deuterium - isotopen van waterstof - hebben dezelfde grootte als ze worden beschouwd als klassieke deeltjes, maar zijn nogal verschillend in grootte als golven als rekening wordt gehouden met hun kwantumkarakter.

Deuterium heeft een kortere golflengte dan waterstof, waardoor het gemakkelijker door kleine haarvaten kan gaan en van waterstof kan worden gescheiden. Dit zeefmechanisme, bekend als kwantum zeven, maakt gebruik van een attribuut dat bekend staat als de 'deeltjesgolf-dualiteit van materie' - een bekend natuurkundig fenomeen. Echter, extreem lage temperaturen zijn meestal vereist om het te observeren.

Het observeren van materie die zich bij kamertemperatuur als golven gedraagt, vereist veel fijnere zeven, dit is tot nu toe niet gelukt. Nutsvoorzieningen, het Manchester-team heeft aangetoond dat 2D-materialen dergelijke zeven kunnen leveren en dat deze zeven kunnen worden gebruikt om waterstofisotopen bij kamertemperatuur te scheiden. Dit zou het scheidingsproces veel efficiënter kunnen maken.

Dr. Sheng Hu, de eerste auteur van deze studie, zei:"Kwantumverschijnselen zijn zeer zeldzaam bij kamertemperatuur. Om materiegolven waar te nemen, is het normaal gesproken nodig om geavanceerde constructies zoals magneto-optische vallen te fabriceren of om naar cryogene temperaturen te gaan. We demonstreren een experimentele opstelling waarmee we deze exotische kwantumverschijnselen bij kamertemperatuur kunnen zien."

In de meeste andere materialen, de zwaardere isotoop - in dit geval deuterium - zou langzamer reizen dan de lichtere - waterstof. In tegenstelling tot, het Manchester-team ontdekte dat deuterium gemakkelijker door gaten in deze kristallen perste dan waterstof. De reden bleek de zwaardere massa van deuterium te zijn, wat zich vertaalt in een kortere golflengte en daardoor gemakkelijker door de smalste roosters kan.

Dr. Marcelo Lozada, de corresponderende auteur in deze studie, toegevoegd:"Een halve angstrom is echt de absolute limiet van hoe materie kan worden opgesloten. Je kunt alleen maar speculeren over wat voor soort verschijnselen op deze schaal kunnen optreden. We kunnen nu gelaagde kristallen gebruiken om verder te onderzoeken in in wezen een benchtop-experiment."

De wetenschappers zijn optimistisch over de implicaties van deze ontdekking en blijven deze gelaagde kristallen onderzoeken in combinatie met andere materialen voor isotopenscheiding. Deze technologie zou een aanvulling kunnen zijn op eerdere ontdekkingen van de Manchester-groep. Vorig jaar toonde dezelfde groep aan dat grafeenmembranen de meest efficiënte technologie kunnen bieden voor waterstofisotopenscheiding.