Deuterio, una versión más pesada pero menos abundante del átomo de hidrógeno, tiene muchas aplicaciones prácticas. Desafortunadamente, producir deuterio y usarlo para proteger semiconductores basados ​​en silicio requiere mucha energía y gas deuterio muy caro. Ahora, Científicos de Japón han descubierto una reacción de intercambio energéticamente eficiente para intercambiar átomos de hidrógeno por deuterio en la superficie del silicio nanocristalino. Sus resultados allanan el camino hacia dispositivos electrónicos más duraderos al tiempo que mantienen bajos los costos y el impacto ambiental.

El descubrimiento de isótopos a principios del siglo XX. ^th El siglo marcó un momento clave en la historia de la física y condujo a una comprensión mucho más refinada del núcleo atómico. Los isótopos son 'versiones' de un elemento dado de la tabla periódica que tienen el mismo número de protones pero un número diferente de neutrones, y por lo tanto varían en masa. Estas diferencias de masa pueden alterar radicalmente ciertas propiedades físicas de los átomos, como sus tasas de desintegración radiactiva, sus posibles vías de reacción en los reactores de fisión nuclear, y mucho más.

Si bien la mayoría de los isótopos de un elemento comparten propiedades químicas similares, hay una excepción notable:los isótopos de hidrógeno. La mayoría de los átomos de hidrógeno en la Tierra contienen solo un protón y un electrón, pero existen isótopos de hidrógeno que también tienen un neutrón (deuterio) o dos neutrones (tritio). Deuterio, que esencialmente pesa el doble que el hidrógeno 'normal', ha encontrado muchos usos prácticos y científicos. Por ejemplo, se puede utilizar para etiquetar y rastrear moléculas como proteínas para investigar procesos bioquímicos. También se puede usar estratégicamente en medicamentos para reducir su tasa metabólica y aumentar su vida media en el cuerpo.

Otra aplicación importante del deuterio existe en el campo de la electrónica de semiconductores. La superficie de los semiconductores a base de silicio debe 'pasivarse' con hidrógeno para garantizar que los átomos de silicio no se desprendan (desorben) fácilmente, aumentando así la durabilidad de los microchips, baterías y celdas solares. Sin embargo, a través de mecanismos que aún no se comprenden del todo, la pasivación con deuterio en lugar de hidrógeno da como resultado probabilidades de desorción unas cien veces menores, lo que implica que el deuterio pronto se convertirá en un ingrediente indispensable en los dispositivos electrónicos. Desafortunadamente, tanto la obtención de deuterio como las técnicas disponibles para enriquecer las superficies de silicio con él son muy ineficientes desde el punto de vista energético o requieren un gas deuterio muy caro.

Afortunadamente, en la Universidad de la Ciudad de Nagoya (NCU), Japón, un equipo de científicos dirigido por el profesor Takahiro Matsumoto ha encontrado una estrategia energéticamente eficiente para enriquecer las superficies de silicio utilizando una solución de deuterio diluido. Este estudio, que fue publicado en Materiales de revisión física , se llevó a cabo en colaboración con el Dr. Takashi Ohhara de la Agencia de Energía Atómica de Japón y el Dr. Yoshihiko Kanemitsu de la Universidad de Kyoto.

Los investigadores encontraron que puede ocurrir una peculiar reacción de intercambio de hidrógeno a deuterio en la superficie del silicio nanocristalino (n-Si). Demostraron esta reacción en películas delgadas de n-Si sumergidas en una solución que contiene deuterio utilizando dispersión de neutrones inelástica. Esta técnica de espectroscopia implica irradiar neutrones sobre una muestra y analizar los movimientos atómicos o las vibraciones del cristal resultantes. Estos experimentos, junto con otros métodos de espectroscopia y cálculos de energía basados ​​en la mecánica cuántica, revelaron los mecanismos subyacentes que favorecen el reemplazo de las terminaciones de hidrógeno en la superficie de n-Si con deuterio:El proceso de intercambio está estrechamente relacionado con las diferencias en los modos de vibración de la superficie entre n-Si terminado en hidrógeno y deuterio. "Logramos un aumento de cuatro veces en la concentración de átomos de deuterio de superficie en n-Si en nuestros experimentos realizados en la fase líquida, "destaca el Dr. Matsumoto, "También propusimos un protocolo de enriquecimiento en fase gaseosa para n-Si que, según nuestros cálculos teóricos, podría aumentar 15 veces la tasa de enriquecimiento de deuterio ".

Esta estrategia innovadora de explotar los efectos cuánticos en la superficie del n-Si podría allanar el camino hacia nuevos métodos para obtener y utilizar deuterio. "La reacción de intercambio eficiente de hidrógeno a deuterio que informamos puede conducir a una economicamente factible, y protocolos de enriquecimiento de deuterio respetuosos con el medio ambiente, conduciendo a una tecnología de semiconductores más duradera, "concluye el Dr. Matsumoto.

El equipo de NCU también declaró que "se ha predicho teóricamente que cuanto más pesado es el hidrógeno, cuanto mayor sea la eficiencia de la reacción de intercambio. Por lo tanto, podemos esperar un enriquecimiento más eficiente de átomos de tritio en n-Si, lo que conduce a la posibilidad de purificar el agua contaminada con tritio. Creemos que este es un tema que debe resolverse con urgencia ".

Esperemos que los hallazgos de este trabajo nos permitan beneficiarnos más de los isótopos más pesados ​​del hidrógeno sin afectar a nuestro planeta.