Deuterio, una versione più pesante ma meno abbondante dell'atomo di idrogeno, ha molte applicazioni pratiche. Sfortunatamente, produrre deuterio e utilizzarlo per proteggere i semiconduttori a base di silicio richiede molta energia e gas deuterio molto costoso. Ora, scienziati giapponesi hanno scoperto una reazione di scambio efficiente dal punto di vista energetico per scambiare atomi di idrogeno con deuterio sulla superficie del silicio nanocristallino. I loro risultati aprono la strada a dispositivi elettronici più durevoli, mantenendo bassi i costi e l'impatto ambientale.

La scoperta degli isotopi nei primi anni 20 ^ns secolo ha segnato un momento chiave nella storia della fisica e ha portato a una comprensione molto più raffinata del nucleo atomico. Gli isotopi sono "versioni" di un dato elemento della tavola periodica che portano lo stesso numero di protoni ma un diverso numero di neutroni, e quindi variano in massa. Queste differenze di massa possono alterare radicalmente alcune proprietà fisiche degli atomi, come i loro tassi di decadimento radioattivo, le loro possibili vie di reazione nei reattori a fissione nucleare, e altro ancora.

Mentre la maggior parte degli isotopi di un elemento condivide proprietà chimiche simili, c'è una notevole eccezione:gli isotopi di idrogeno. La maggior parte degli atomi di idrogeno sulla Terra contiene solo un protone e un elettrone, ma esistono isotopi di idrogeno che hanno anche un neutrone (deuterio) o due neutroni (trizio). Deuterio, che pesa essenzialmente il doppio dell'idrogeno "normale", ha trovato molti usi pratici e scientifici. Per esempio, può essere utilizzato per etichettare e tracciare molecole come le proteine ​​per studiare i processi biochimici. Può anche essere strategicamente utilizzato nei farmaci per ridurre il loro tasso metabolico e aumentare la loro emivita nel corpo.

Un'altra importante applicazione del deuterio esiste nel campo dell'elettronica dei semiconduttori. La superficie dei semiconduttori a base di silicio deve essere "passivata" con idrogeno per garantire che gli atomi di silicio non si stacchino (desorbano) facilmente, aumentando così la durata dei microchip, batterie, e celle solari. Però, attraverso meccanismi ancora non del tutto compresi, la passivazione con deuterio al posto dell'idrogeno porta a probabilità di desorbimento circa cento volte inferiori, implicando che il deuterio potrebbe presto diventare un ingrediente indispensabile nei dispositivi elettronici. Sfortunatamente, sia l'approvvigionamento di deuterio che le tecniche disponibili per arricchire con esso le superfici di silicio sono molto inefficienti dal punto di vista energetico o richiedono un gas deuterio molto costoso.

Fortunatamente, alla Nagoya City University (NCU), Giappone, un team di scienziati guidati dal professor Takahiro Matsumoto ha trovato una strategia efficiente dal punto di vista energetico per arricchire le superfici di silicio utilizzando una soluzione diluita di deuterio. Questo studio, che è stato pubblicato in Materiali per la revisione fisica , è stato condotto in collaborazione con il Dr. Takashi Ohhara della Japan Atomic Energy Agency e il Dr. Yoshihiko Kanemitsu dell'Università di Kyoto.

I ricercatori hanno scoperto che sulla superficie del silicio nanocristallino (n-Si) può verificarsi una particolare reazione di scambio dall'idrogeno al deuterio. Hanno dimostrato questa reazione in film sottili di n-Si immersi in una soluzione contenente deuterio utilizzando la diffusione anelastica di neutroni. Questa tecnica di spettroscopia comporta l'irradiazione di neutroni su un campione e l'analisi dei moti atomici o delle vibrazioni dei cristalli risultanti. Questi esperimenti, accoppiato con altri metodi di spettroscopia e calcoli energetici basati sulla meccanica quantistica, ha rivelato i meccanismi sottostanti che favoriscono la sostituzione delle terminazioni di idrogeno sulla superficie di n-Si con deuterio:Il processo di scambio è strettamente correlato alle differenze nei modi vibrazionali superficiali tra n-Si con terminazione di idrogeno e deuterio. "Abbiamo ottenuto un aumento di quattro volte della concentrazione di atomi di deuterio superficiale su n-Si nei nostri esperimenti eseguiti in fase liquida, " evidenzia il dottor Matsumoto, "Abbiamo anche proposto un protocollo di arricchimento in fase gassosa per n-Si che, secondo i nostri calcoli teorici, potrebbe aumentare di 15 volte il tasso di arricchimento del deuterio".

Questa strategia innovativa di sfruttare gli effetti quantistici sulla superficie di n-Si potrebbe aprire la strada a nuovi metodi per procurarsi e utilizzare il deuterio. "L'efficiente reazione di scambio idrogeno-deuterio che abbiamo riportato può portare a risultati sostenibili, economicamente fattibile, e protocolli di arricchimento del deuterio rispettosi dell'ambiente, portando a una tecnologia dei semiconduttori più duratura, " conclude il dottor Matsumoto.

Il team della NCU ha anche affermato che "è stato teoricamente previsto che più pesante è l'idrogeno, maggiore è l'efficienza della reazione di scambio. Così, possiamo aspettarci un arricchimento più efficiente degli atomi di trizio su n-Si, che porta alla possibilità di purificare l'acqua contaminata dal trizio. Riteniamo che questo sia un problema che deve essere risolto con urgenza".

Speriamo che i risultati di questo lavoro ci permettano di trarre maggiori benefici dagli isotopi più pesanti dell'idrogeno senza mettere a dura prova il nostro pianeta.