Des chercheurs de l'Université de Manchester ont découvert que les écarts naturels entre les couches individuelles de matériaux bidimensionnels peuvent être utilisés comme un tamis pour séparer différents atomes.

Écrire dans Nature Nanotechnologie , les scientifiques de Manchester montrent que l'hydrogène et le deutérium – deux isotopes de l'hydrogène – peuvent être séparés s'ils sont poussés à travers des espaces minuscules entre des matériaux atomiquement minces tels que le nitrure de bore hexagonal ou le bisulfure de molybdène.

Semblables au graphène, ces matériaux peuvent exister dans une couche bidimensionnelle (2D) et présenter des propriétés uniques en raison de leur structure physique. L'empilement de différents cristaux 2D peut permettre la création de matériaux multifonctionnels sur mesure adaptés à des objectifs spécifiques.

L'équipe de Manchester dirigée par Sir Andre Geim a rapporté que certains cristaux en couches 2D peuvent être utilisés comme maillage le plus petit possible pour créer des tamis subatomiques. A première vue, il n'y a plus d'espace entre les couches atomiquement minces des cristaux car ils sont densément empilés les uns sur les autres.

Cependant, l'équipe a découvert que de minuscules lacunes existaient en forçant avec succès les isotopes d'hydrogène à traverser les cavités minuscules. En faisant cela, l'équipe a réussi à séparer ces isotopes à température ambiante, exploiter un phénomène exotique, connu sous le nom de tamisage quantique.

La séparation isotopique est généralement une opération à forte intensité énergétique qui est utilisée dans le nucléaire, secteurs de la médecine et de la recherche. L'hydrogène et le deutérium – isotopes de l'hydrogène – ont la même taille s'ils sont considérés comme des particules classiques mais sont plutôt de taille différente en tant qu'ondes si leur nature quantique est prise en compte.

Le deutérium a une longueur d'onde plus courte que l'hydrogène, ce qui lui permet de passer plus facilement à travers de minuscules capillaires et de se séparer de l'hydrogène. Ce mécanisme de tamisage, connu sous le nom de tamisage quantique, exploite un attribut connu sous le nom de « dualité particule-onde de la matière » – un phénomène physique bien connu. Cependant, des températures extrêmement basses sont généralement nécessaires pour l'observer.

Observer la matière se comportant comme des vagues à température ambiante nécessite des tamis beaucoup plus fins, cela a été jusqu'à présent impossible à réaliser. Maintenant, l'équipe de Manchester a montré que les matériaux 2-D peuvent fournir de tels tamis et que ces tamis peuvent être utilisés pour séparer les isotopes de l'hydrogène à température ambiante. Cela pourrait permettre au processus de séparation d'être beaucoup plus efficace.

Le Dr Sheng Hu qui était le premier auteur de cette étude a déclaré :« Les phénomènes quantiques sont très rares à température ambiante. Pour observer les ondes de matière, il est normalement nécessaire de fabriquer des engins sophistiqués tels que des pièges magnéto-optiques ou d'aller à des températures cryogéniques. Nous démontrons une configuration expérimentale qui nous permet de voir ces phénomènes quantiques exotiques à température ambiante."

Dans la plupart des autres matériaux, l'isotope le plus lourd – dans ce cas le deutérium – voyagerait plus lentement que l'isotope le plus léger – l'hydrogène. En revanche, l'équipe de Manchester a découvert que le deutérium s'infiltrait plus facilement à travers les interstices de ces cristaux que l'hydrogène. La raison s'est avérée être la masse plus lourde de deutérium, ce qui se traduit par une longueur d'onde plus courte et permet donc un passage plus aisé à travers les grilles les plus étroites.

Dr Marcelo Lozada, l'auteur correspondant dans cette étude, a ajouté "Un demi-angström est vraiment la limite absolue de la façon dont la matière peut être confinée. On ne peut que spéculer sur le type de phénomènes qui peuvent se produire à cette échelle. Nous pouvons maintenant utiliser des cristaux en couches pour approfondir nos recherches dans le cadre d'une expérience de laboratoire. "

Les scientifiques sont optimistes quant aux implications de cette découverte et continuent d'étudier ces cristaux stratifiés en combinaison avec d'autres matériaux pour la séparation isotopique. Cette technologie pourrait compléter les précédentes découvertes du groupe de Manchester. L'année dernière, le même groupe a montré que les membranes en graphène peuvent fournir la technologie la plus efficace pour la séparation des isotopes de l'hydrogène.