(Phys.org) - Les membranes conventionnelles utilisées pour tamiser les espèces atomiques et moléculaires ne peuvent pas évoluer au niveau subatomique, les rendant incapables de séparer les ions isotopiques de l'hydrogène (protons, deutérons et tritons). À la fois, il n'y a pas de méthodes actuelles de séparation directe de ces isotopes, et les approches actuelles sont extrêmement énergivores et donc coûteuses – parfois prohibitives. Récemment, cependant, des scientifiques de l'Université de Manchester (Royaume-Uni) ont fait la démonstration d'un roman, approche évolutive et hautement compétitive qui utilise des monocouches de graphène et de nitrure de bore comme tamis extrêmement fins pour séparer les isotopes d'hydrogène. De plus, en plus du mécanisme de tamisage simple et robuste de la nouvelle approche, il offre des configurations simples et ne nécessite que de l'eau comme entrée sans nécessiter de composés chimiques supplémentaires.

Dr Marcelo Lozada-Hidalgo et Phys.org discuté du document que lui et ses collègues, dirigé par le professeur Regius et le professeur de recherche de la Royal Society Sir Andre Geim, Publié dans Science . « Dans notre enquête précédente ¹ de savoir si les deutérons traversent les cristaux 2D différemment des protons, il y avait certainement beaucoup de travail acharné impliqué, " raconte Lozada-Hidalgo Phys.org . « Nous avons dû fabriquer un grand nombre d'appareils, et rapporté sur une cinquantaine, pour ce projet afin de collecter des statistiques solides - mais le principal défi était d'expliquer les résultats. » Les scientifiques s'attendaient à ce que les deutérons pénètrent légèrement plus lentement que les protons mais certainement pas un facteur 10, dit Lozada-Hidalgo). "En plus de ça, la théorie existante ne prédisait aucune différence du tout ! Nous l'avons compris à la fin, mais c'était difficile car le domaine est très interdisciplinaire, étant à l'intersection de la physique, chimie et science des matériaux, et est également très nouveau – il n'a que deux ans – il reste donc encore beaucoup à découvrir. Puis encore, cela le rend d'autant plus excitant."

Un résultat contre-intuitif, Lozada-Hidalgo ajoute, découvrait le même effet isotopique pour tous les cristaux – un facteur différentiel de dix dans la perméation entre les protons et les deutérons. Nous avons finalement réussi à tout comprendre, mais cela a certainement été déroutant pendant un certain temps. »

Les informations clés de l'équipe dérivées de l'exploitation des techniques développées dans leur article précédent ¹ . "Le plus important était la capacité de produire un grand nombre de membranes cristallines entièrement suspendues d'un atome d'épaisseur de graphène et de nitrure de bore hexagonal, ce qui nous a permis de séparer les interfaces par une membrane de seulement un atome d'épaisseur. Nous y sommes habitués dans notre labo maintenant, mais c'est vraiment remarquable ce graphène, un maillage cristallin à l'échelle atomique, peut tamiser les particules subatomiques. en raison de sa minceur atomique, les chercheurs sont capables de sonder des phénomènes jusqu'alors inaccessibles – et ce, à température ambiante.

Dans leur article actuel, les scientifiques déclarent que leur approche offre un moyen compétitif et évolutif pour l'enrichissement des isotopes de l'hydrogène. "Hydrogène, le deutérium et le tritium – les trois isotopes de l'hydrogène – ont des propriétés chimiques très similaires, ce qui les rend très difficiles à séparer et nécessite certains des procédés les plus énergivores de l'industrie chimique, " Lozada-Hidalgo explique. "Jusqu'à présent, il n'y avait pas de méthode de séparation directe des isotopes de l'hydrogène, donc les solutions, tout en étant ingénieux, étaient très chers. » Il souligne que l'implication technologique de leurs résultats est que le graphène et le nitrure de bore sont, en substance, tamis extrêmement fins - une découverte qui pourrait avoir un impact important dans, par exemple, éliminer les déchets de tritium de l'eau. Cela serait particulièrement important dans les accidents nucléaires comme la catastrophe de Fukushima, où tandis que les déchets radioactifs lourds tels que l'uranium ont été éliminés avec succès, tritium, en raison de sa similitude avec l'hydrogène (et donc avec l'eau) s'est jusqu'à présent avéré particulièrement difficile à éliminer. En outre, parce que le graphène tamise physiquement les isotopes en utilisant uniquement de l'eau à l'entrée sans composés chimiques supplémentaires, les coûts d'énergie et de procédé associés à cette méthode de séparation isotopique sont inférieurs à ceux des procédés existants.

L'une des grandes réussites du projet, Lozada-Hidalgo dit, montrait que les fissures macroscopiques et les trous d'épingle présents dans le graphène CVD n'affectent pas l'efficacité de l'approche car les hydrons (un nom collectif pour les ions des trois isotopes de l'hydrogène, c'est-à-dire protons, deutéron et tritons) sont pompés électrochimiquement uniquement à travers les zones de graphène qui sont en contact électrique. « Nous avons réussi à mettre les appareils à l'échelle au centimètre près, sans lequel nous aurions acquis un aperçu significatif du processus de transport des protons - mais les applications seraient encore loin d'être terminées. Faire cela, dans l'une de nos expériences, nous avons utilisé du graphène simultanément comme électrode et comme tamis à protons - une géométrie complètement nouvelle possible uniquement grâce aux propriétés extraordinaires du graphène. » Dans cette géométrie, les chercheurs ont utilisé un courant électrique pour pomper des protons à travers le graphène, tamisant ainsi les isotopes.

"La très grande caractéristique de cette géométrie, " souligne-t-il, "est-ce qu'il ne pompe des protons que dans les régions qui ont du graphène parce que, tout simplement, dans les régions où le graphène est absent, il n'y a pas de capacité de pompe à protons. Cette géométrie est donc très résistante aux fissures, qui ne manqueront pas de se produire dans des appareils réels."

L'étude a également montré que le graphène n'est pas le seul matériau pouvant servir de tamis ionique, et des exemples étant des monocouches de nitrure de bore hexagonal (hBN). "Le nitrure de bore est très attractif car c'est un meilleur conducteur de protons que le graphène, et permettrait donc un tamisage plus rapide. » L'équipe s'est concentrée sur le graphène, Notes de Lozada-Hidalgo, car le nitrure de bore par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) monocouche n'est pas encore disponible dans le commerce en grandes quantités.

Les scientifiques ont aussi d'autres projets. « Ensuite, nous voulons travailler avec le tritium, Lozada-Hidalgo raconte Phys.org , "puisque nous n'avons pas pu l'utiliser dans nos expériences précédentes car il est radioactif. Nous sommes confiants d'obtenir les mêmes résultats qu'avec le deutérium - mais il est néanmoins intéressant de le démontrer." Au-delà de ça, il ajoute, ceci étant un domaine de recherche très nouveau, ils continuent à découvrir de nouveaux phénomènes.

Même s'il s'agit d'une nouvelle discipline, il existe d'autres domaines de recherche qui peuvent déjà être considérés comme pouvant bénéficier de l'étude de l'équipe. « Le génie chimique est un domaine évident, mais c'est juste l'un d'entre eux. Parce que les isotopes de l'hydrogène sont utilisés comme traceurs dans les réactions chimiques, nous pensons que notre recherche pourrait avoir des implications très intéressantes dans, par exemple, la biologie, où il y a des recherches approfondies sur l'interaction de l'ADN et d'autres biomolécules avec les membranes de graphène. La chimie est un autre exemple, dans lequel la conduite de réactions avec du deutérium au lieu de l'hydrogène élucide les étapes limitantes des processus chimiques. Finalement, " Lozada-Hidalgo conclut, « il y a beaucoup à étudier en utilisant des membranes sélectives subatomiquement - la sélectivité ultime qu'une membrane peut afficher - et les cristaux bidimensionnels sont les premières membranes à montrer cette capacité. Nous sommes très enthousiastes à l'idée des possibilités à venir ! »

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