Conductividades de Hydron de 20 cristales. (a) Esquemas de la configuración experimental. Los electrodos de Pd suministran protones (h) o deuterones (d) a la Nación H o D; Los cristales 2D sirven como barreras para los hidrones. (B) Conductividades de protones y deuterones (barras sombreadas y sólidas, respectivamente) para la mayoría de los cristales conductores de hidrón. Cada barra corresponde a un dispositivo diferente (se muestran cerca de treinta). Las líneas punteadas marcan las conductividades medias, y las áreas sombreadas a su alrededor muestran los errores estándar. Crédito:Dr. Marcelo Lozada-Hidalgo, Universidad de Manchester.
(Phys.org) —Las membranas convencionales que se usan para tamizar especies atómicas y moleculares no pueden escalar al nivel subatómico, haciéndolos incapaces de separar los iones de isótopos de hidrógeno (protones, deuterones y tritones). Al mismo tiempo, no existen métodos actuales para separar directamente estos isótopos, y los enfoques actuales consumen mucha energía y, por lo tanto, son costosos, a veces de manera prohibitiva. Recientemente, sin embargo, científicos de la Universidad de Manchester (Reino Unido) demostraron una novela, Enfoque escalable y altamente competitivo que utiliza monocapas de grafeno y nitruro de boro como tamices extremadamente finos para separar isótopos de hidrógeno. Es más, además del mecanismo de tamizado simple y robusto del nuevo enfoque, Ofrece configuraciones sencillas y la necesidad de solo agua como entrada sin requerir compuestos químicos adicionales.
Dr. Marcelo Lozada-Hidalgo y Phys.org discutió el documento que él y sus colegas, dirigido por el profesor Regius y el profesor de investigación de la Royal Society, Sir Andre Geim, publicado en Ciencias . "En nuestra investigación anterior 1 de si los deuterones penetran a través de cristales 2D de manera diferente a los protones, Ciertamente hubo mucho trabajo duro involucrado, "Cuenta Lozada-Hidalgo Phys.org . "Tuvimos que fabricar una gran cantidad de dispositivos, e informó sobre alrededor de 50, para este proyecto con el fin de recopilar estadísticas sólidas, pero el principal desafío era explicar los resultados ". Los científicos esperaban que los deuterones penetraran solo un poco más lento que los protones (tal vez un factor de 1,5 más o menos, pero ciertamente no un factor de 10, Lozada-Hidalgo dice). "Además de eso, ¡la teoría existente no predijo ninguna diferencia en absoluto! Lo descubrimos al final, pero fue un desafío porque el campo es altamente interdisciplinario, estar en la intersección de la física, ciencia química y de los materiales, y también es muy nuevo, solo tiene dos años, por lo que todavía hay mucho por descubrir. Entonces otra vez eso lo hace aún más emocionante ".
Un resultado contradictorio, Lozada-Hidalgo agrega, estaba encontrando el mismo efecto isotópico para todos los cristales:un factor diferencial de diez en la permeación entre protones y deuterones. Finalmente logramos entenderlo todo, pero ciertamente fue desconcertante por un tiempo ".
Efecto isotópico medido por espectrometría de masas. (a) Configuración de espectrometría de masas. Pt El grafeno decorado se utiliza para separar dos cámaras:una que contiene una mezcla de electrolitos protón-deuterón y otra evacuada y frente a un espectrómetro de masas. La membrana de grafeno está sesgada contra la mezcla de electrolitos y tres posibles flujos de gases (HD, D 2 o H 2 ) . (B) Fracción de átomos de protio en la salida para diferentes entradas de protones. La curva roja continua muestra [H] el cálculo teórico sin parámetros de ajuste. Recuadro:Esquema de la barrera de energía presentada por un cristal de 20 para la transferencia de protones y deuterones. Las líneas sólidas negras y azules indican los estados del punto cero para protones y deuterones, respectivamente. Crédito:Dr. Marcelo Lozada-Hidalgo, Universidad de Manchester.
La información clave del equipo derivada de las técnicas de aprovechamiento desarrolladas en su artículo anterior 1 . "El más importante fue la capacidad de producir una gran cantidad de membranas cristalinas de grafeno y nitruro de boro hexagonal de un átomo de espesor completamente suspendidas, lo que nos permitió separar las interfaces mediante una membrana de solo un átomo de espesor. Estamos acostumbrados a eso en nuestro laboratorio ahora pero es realmente notable que el grafeno, una malla de cristal a escala atómica, puede tamizar partículas subatómicas ". Además, debido a su delgadez atómica, los investigadores pueden sondear fenómenos a los que antes era imposible acceder, y hacerlo a temperatura ambiente.
En su artículo actual, los científicos afirman que su enfoque ofrece una forma competitiva y escalable para el enriquecimiento de isótopos de hidrógeno. "Hidrógeno, el deuterio y el tritio, los tres isótopos del hidrógeno, tienen propiedades químicas muy similares, lo que los hace muy difíciles de separar y requiere algunos de los procesos que consumen más energía en la industria química, Lozada-Hidalgo explica. Hasta ahora, no existía un método de separación directo para los isótopos de hidrógeno, entonces las soluciones, mientras ingenioso, eran muy caras ". Señala que la implicación tecnológica de sus resultados es que el grafeno y el nitruro de boro son, en esencia, tamices extremadamente finos:un hallazgo que podría tener un gran impacto en, por ejemplo, eliminar los desechos de tritio del agua. Esto sería especialmente importante en accidentes nucleares como el desastre de Fukushima, donde, si bien se han eliminado con éxito desechos radiactivos pesados como el uranio, tritio debido a su similitud con el hidrógeno (y por lo tanto con el agua), hasta ahora ha demostrado ser particularmente difícil de eliminar. Además, debido a que el grafeno tamiza físicamente los isótopos utilizando solo agua en la entrada sin compuestos químicos adicionales, Los costos de energía y de proceso asociados con este método de separación de isótopos son más bajos que los de los procesos existentes.
Uno de los grandes aciertos del proyecto, Lozada-Hidalgo dice, estaba mostrando que las grietas macroscópicas y los poros presentes en el grafeno CVD no afectan la eficiencia del enfoque porque los hidrones (un nombre colectivo para los iones de los tres isótopos de hidrógeno, es decir, protones, deuterón y tritones) se bombean electroquímicamente solo a través de las áreas de grafeno que están en contacto eléctricamente. "Logramos escalar dispositivos a tamaños de centímetros, sin lo cual habríamos obtenido una visión significativa del proceso de transporte de protones, pero las aplicaciones aún estarían muy por delante. Para hacerlo en uno de nuestros experimentos usamos grafeno simultáneamente como electrodo y tamiz de protones, una geometría completamente nueva posible solo debido a las extraordinarias propiedades del grafeno ". En esta geometría, los investigadores usaron una corriente eléctrica para bombear protones a través del grafeno, tamizando así los isótopos.
"La gran característica de esta geometría, "enfatiza, "es que solo bombea protones en las regiones que tienen grafeno porque, muy simple, en las regiones donde el grafeno está ausente, no hay capacidad de bombeo de protones. Por lo tanto, esta geometría es muy resistente a las grietas, lo que seguramente sucederá en dispositivos de la vida real ".
El estudio también mostró que el grafeno no es el único material que puede servir como tamiz iónico, y por ejemplo monocapas hexagonales de nitruro de boro (hBN). "El nitruro de boro es muy atractivo porque es un conductor de protones incluso mejor que el grafeno, y, por lo tanto, permitiría un tamizado más rápido ". El equipo se centró en el grafeno, Lozada-Hidalgo señala, porque el nitruro de boro por deposición química en fase de vapor (CVD) monocapa aún no está disponible comercialmente en grandes cantidades.
Los científicos también tienen otros planes. "A continuación, queremos trabajar con tritio, Lozada-Hidalgo cuenta Phys.org , "ya que no pudimos usarlo en nuestros experimentos anteriores porque es radioactivo. Estamos seguros de que encontraremos los mismos resultados que con el deuterio, pero es interesante demostrarlo". Más allá de eso, él añade, este es un campo de investigación muy nuevo, continúan descubriendo nuevos fenómenos.
Incluso siendo esta una nueva disciplina, Hay otros campos de investigación que ya pueden verse como potencialmente beneficiados por el estudio del equipo. "La ingeniería química es un campo obvio, pero es solo uno de ellos. Debido a que los isótopos de hidrógeno se utilizan como trazadores en reacciones químicas, creemos que nuestra investigación podría tener implicaciones muy interesantes en, por ejemplo, biología, donde existe una extensa investigación sobre la interacción del ADN y otras biomoléculas con membranas de grafeno. La química es otro ejemplo, en el que la realización de reacciones con deuterio en lugar de hidrógeno aclara los pasos limitantes en los procesos químicos. Finalmente, "Concluye Lozada-Hidalgo, "Hay mucho que investigar utilizando membranas subatómicamente selectivas, la máxima selectividad que puede mostrar una membrana, y los cristales bidimensionales son las primeras membranas que muestran esta capacidad. ¡Estamos muy entusiasmados con las posibilidades que existen en el futuro!"
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