I ricercatori dell'Università di Manchester hanno scoperto che gli spazi naturali tra i singoli strati di materiali bidimensionali possono essere utilizzati come setaccio per separare atomi diversi.

Scrivendo in Nanotecnologia della natura , gli scienziati di Manchester mostrano che l'idrogeno e il deuterio, due isotopi dell'idrogeno, possono essere separati se spinti attraverso spazi minuscoli tra materiali atomicamente sottili come il nitruro di boro esagonale o il bisolfuro di molibdeno.

Simile al grafene, questi materiali possono esistere in uno strato bidimensionale (2-D) e presentare proprietà uniche grazie alla loro struttura fisica. L'impilamento di diversi cristalli 2-D può consentire la creazione di materiali multifunzionali su misura su misura per scopi specifici.

Il team di Manchester guidato da Sir Andre Geim ha riferito che alcuni cristalli stratificati 2-D possono essere utilizzati come maglie più piccole possibili per creare setacci subatomici. A prima vista, non c'è spazio lasciato tra gli strati atomicamente sottili dei cristalli perché sono densamente impilati uno sopra l'altro.

Tuttavia, il team ha scoperto che esistevano minuscole lacune costringendo con successo gli isotopi dell'idrogeno a passare attraverso le minuscole cavità. Facendo così, il team è riuscito a separare questi isotopi a temperatura ambiente, sfruttando un fenomeno esotico, noto come setacciatura quantistica.

La separazione isotopica è tipicamente un'operazione ad alta intensità energetica che viene utilizzata nel nucleare, settore medico e della ricerca. L'idrogeno e il deuterio – isotopi dell'idrogeno – hanno la stessa dimensione se considerati come particelle classiche, ma sono piuttosto differenti come dimensioni come onde se si tiene conto della loro natura quantistica.

Il deuterio ha una lunghezza d'onda più corta dell'idrogeno, che gli permette di passare più facilmente attraverso minuscoli capillari e di separarsi dall'idrogeno. Questo meccanismo di setacciatura, noto come setacciatura quantistica, sfrutta un attributo noto come "dualità particella-onda della materia", un fenomeno fisico ben noto. Però, in genere sono necessarie temperature estremamente basse per osservarlo.

Osservare la materia che si comporta come onde a temperatura ambiente richiede setacci molto più fini, questo è stato finora impossibile da raggiungere. Ora, il team di Manchester ha dimostrato che i materiali 2-D possono fornire tali setacci e che questi setacci possono essere utilizzati per separare gli isotopi di idrogeno a temperatura ambiente. Ciò potrebbe consentire al processo di separazione di essere molto più efficiente.

Il dottor Sheng Hu, che è stato il primo autore di questo studio, ha dichiarato:"I fenomeni quantistici sono molto rari a temperatura ambiente. Per osservare le onde della materia è normalmente necessario fabbricare congegni sofisticati come trappole magneto-ottiche o andare a temperature criogeniche. Dimostriamo una configurazione sperimentale che ci permette di vedere questi fenomeni quantistici esotici a temperatura ambiente".

Nella maggior parte degli altri materiali, l'isotopo più pesante – in questo caso il deuterio – viaggerebbe più lentamente di quello più leggero – l'idrogeno. In contrasto, il team di Manchester ha scoperto che il deuterio si spremeva più facilmente attraverso gli spazi vuoti in questi cristalli rispetto all'idrogeno. Il motivo è stato dimostrato essere la massa più pesante di deuterio, che si traduce in una lunghezza d'onda più corta e quindi permette un più facile passaggio attraverso le griglie più strette.

Dott. Marcelo Lozada, l'autore corrispondente in questo studio, ha aggiunto "Mezzo angstrom è davvero il limite assoluto di come la materia può essere confinata. Si può solo ipotizzare che tipo di fenomeni possono verificarsi a questa scala. Ora possiamo usare i cristalli stratificati per indagare ulteriormente essenzialmente in un esperimento da banco".

Gli scienziati sono ottimisti sulle implicazioni di questa scoperta e continuano a studiare questi cristalli stratificati in combinazione con altri materiali per la separazione degli isotopi. Questa tecnologia potrebbe integrare le precedenti scoperte del gruppo di Manchester. L'anno scorso lo stesso gruppo ha dimostrato che le membrane in grafene possono fornire la tecnologia più efficiente per la separazione degli isotopi dell'idrogeno.