(Phys.org)—Le membrane convenzionali utilizzate per setacciare le specie atomiche e molecolari non possono scalare al livello subatomico, rendendoli incapaci di separare gli ioni isotopi di idrogeno (protoni, deuteroni e tritoni). Allo stesso tempo, non ci sono metodi attuali per separare direttamente questi isotopi, e gli approcci attuali sono estremamente energivori e quindi costosi, a volte in modo proibitivo. Recentemente, però, scienziati dell'Università di Manchester (Regno Unito) hanno dimostrato un romanzo, approccio scalabile e altamente competitivo che utilizza monostrati di grafene e nitruro di boro come setacci estremamente fini per separare gli isotopi di idrogeno. Inoltre, oltre al meccanismo di setacciatura semplice e robusto del nuovo approccio, offre configurazioni semplici e la necessità di utilizzare solo acqua come input senza richiedere ulteriori composti chimici.

Dr. Marcelo Lozada-Hidalgo e Phys.org discusso il documento che lui e i suoi colleghi, guidato dal professore Regius e dal professore di ricerca della Royal Society Sir Andre Geim, pubblicato in Scienza . "Nella nostra precedente indagine ¹ se i deuteroni permeano attraverso i cristalli 2D in modo diverso dai protoni, c'era sicuramente un sacco di duro lavoro coinvolto, "Lozada-Hidalgo racconta Phys.org . "Abbiamo dovuto fabbricare un gran numero di dispositivi, e riportato su circa 50, per questo progetto al fine di raccogliere statistiche affidabili, ma la sfida principale è stata spiegare i risultati." Gli scienziati si aspettavano che i deuteroni permeassero solo leggermente più lentamente dei protoni (forse un fattore di circa 1,5, ma certamente non un fattore 10, Lozada-Hidalgo dice). "Oltre a ciò, la teoria esistente non prevedeva affatto alcuna differenza! L'abbiamo capito alla fine ma è stato impegnativo perché il campo è altamente interdisciplinare, essere all'intersezione della fisica, chimica e scienza dei materiali, ed è anche molto nuovo – ha solo due anni – quindi c'è ancora molto da capire. Poi ancora, che rende tutto ancora più emozionante."

Un risultato controintuitivo, Lozada-Hidalgo aggiunge, stava trovando lo stesso effetto isotopico per tutti i cristalli, un fattore differenziale di dieci nella permeazione tra protoni e deuteroni. Siamo finalmente riusciti a capire tutto, ma sicuramente è stato sconcertante per un po'".

L'intuizione chiave del team deriva dalle tecniche di leva sviluppate nel loro precedente documento ¹ . "La più importante è stata la capacità di produrre un gran numero di membrane di cristallo dello spessore di un atomo completamente sospese di grafene e nitruro di boro esagonale, che ci ha permesso di separare le interfacce da una membrana spessa solo un atomo. Ormai ci siamo abituati nel nostro laboratorio, ma è davvero notevole che il grafene, una maglia di cristallo su scala atomica, può setacciare le particelle subatomiche." Inoltre, per la sua sottigliezza atomica, i ricercatori sono in grado di sondare fenomeni a cui prima era impossibile accedere, e di farlo a temperatura ambiente.

Nel loro documento attuale, gli scienziati affermano che il loro approccio offre un modo competitivo e scalabile per l'arricchimento degli isotopi di idrogeno. "Idrogeno, deuterio e trizio – i tre isotopi dell'idrogeno – hanno proprietà chimiche molto simili, che li rende molto difficili da separare e richiede alcuni dei processi più energivori nell'industria chimica, " Lozada-Hidalgo spiega. "Finora, non esisteva un metodo di separazione diretta per gli isotopi di idrogeno, quindi le soluzioni mentre geniale, erano molto costosi." Sottolinea che l'implicazione tecnologica dei loro risultati è che il grafene e il nitruro di boro sono, in sostanza, setacci estremamente fini – una scoperta che potrebbe avere un grande impatto in, Per esempio, rimozione dei rifiuti di trizio dall'acqua. Ciò sarebbe particolarmente importante in incidenti nucleari come il disastro di Fukushima, dove, mentre i rifiuti radioattivi pesanti come l'uranio sono stati rimossi con successo, trizio, per la sua somiglianza con l'idrogeno (e quindi con l'acqua) si è finora dimostrato particolarmente difficile da rimuovere. Inoltre, perché il grafene setaccia fisicamente gli isotopi utilizzando solo acqua in ingresso senza ulteriori composti chimici, i costi energetici e di processo associati a questo metodo di separazione degli isotopi sono inferiori a quelli dei processi esistenti.

Uno dei grandi successi del progetto, Lozada-Hidalgo dice, stava dimostrando che le crepe macroscopiche e i fori presenti nel grafene CVD non influiscono sull'efficienza dell'approccio perché gli idroni (un nome collettivo per gli ioni di tutti e tre gli isotopi dell'idrogeno, ovvero, protoni, deuterone e tritoni) sono pompati elettrochimicamente solo attraverso le aree di grafene che sono a contatto elettricamente. "Siamo riusciti a ridimensionare i dispositivi a dimensioni centimetriche, senza la quale avremmo acquisito una visione significativa del processo di trasporto del protone, ma le applicazioni sarebbero ancora molto avanti. Fare così, in uno dei nostri esperimenti abbiamo usato il grafene contemporaneamente come elettrodo e setaccio protonico, una geometria completamente nuova possibile solo grazie alle straordinarie proprietà del grafene." In questa geometria i ricercatori hanno usato una corrente elettrica per pompare protoni attraverso il grafene, setacciando così gli isotopi.

"La caratteristica davvero eccezionale di questa geometria, "sottolinea, "è che pompa protoni solo nelle regioni che hanno grafene perché, abbastanza semplice, nelle regioni in cui il grafene è assente non c'è capacità di pompa protonica. Questa geometria è quindi molto resistente alle cricche, che sono destinati a verificarsi nei dispositivi della vita reale."

Lo studio ha anche dimostrato che il grafene non è l'unico materiale che può fungere da setaccio ionico, ed esempio essendo monostrati di nitruro di boro esagonale (hBN). "Il nitruro di boro è molto attraente perché è un conduttore di protoni ancora migliore del grafene, e consentirebbe quindi una setacciatura più rapida." Il team si è concentrato sul grafene, note di Lozada-Hidalgo, perché il nitruro di boro monostrato a deposizione chimica da fase vapore (CVD) non è ancora disponibile in commercio in grandi quantità.

Gli scienziati hanno anche altri piani. "Poi vogliamo lavorare con il trizio, Lozada-Hidalgo racconta Phys.org , "dal momento che non abbiamo potuto usarlo nei nostri esperimenti precedenti perché è radioattivo. Siamo fiduciosi che troveremo gli stessi risultati del deuterio, ma è comunque interessante dimostrarlo". Oltre a questo, Aggiunge, essendo questo un campo di ricerca molto nuovo, continuano a scoprire nuovi fenomeni.

Anche essendo questa una nuova disciplina, ci sono altri campi di ricerca che possono già essere visti come potenzialmente avvantaggiati dallo studio del team. "L'ingegneria chimica è un campo ovvio, ma è solo uno di loro. Poiché gli isotopi di idrogeno sono usati come traccianti nelle reazioni chimiche, crediamo che la nostra ricerca potrebbe avere implicazioni molto interessanti in, Per esempio, biologia, dove esiste un'ampia ricerca sull'interazione del DNA e di altre biomolecole con le membrane di grafene. La chimica è un altro esempio, in cui condurre reazioni con deuterio anziché con idrogeno chiarisce le fasi limitanti nei processi chimici. Finalmente, "Lozada-Hidalgo conclude, "C'è molto da indagare utilizzando membrane selettive subatomicamente - la massima selettività che una membrana può mostrare - e i cristalli bidimensionali sono le prime membrane a mostrare questa capacità. Siamo molto entusiasti delle possibilità lungo la strada!"

© 2016 Phys.org