Investigadores de la Universidad de Manchester han descubierto que los espacios que ocurren naturalmente entre capas individuales de materiales bidimensionales pueden usarse como un tamiz para separar diferentes átomos.

Escribiendo en Nanotecnología de la naturaleza , Los científicos de Manchester muestran que el hidrógeno y el deuterio, dos isótopos de hidrógeno, pueden separarse si se empujan a través de espacios minúsculos entre materiales atómicamente delgados, como el nitruro de boro hexagonal o el disulfuro de molibdeno.

Al igual que el grafeno, estos materiales pueden existir en una capa bidimensional (2-D) y exhibir propiedades únicas debido a su estructura física. Apilar diferentes cristales 2-D puede permitir la creación de materiales multifuncionales a medida adaptados a propósitos específicos.

El equipo de Manchester dirigido por Sir Andre Geim informó que algunos cristales en capas 2-D se pueden usar como la malla más pequeña posible para crear tamices subatómicos. A primera vista, no queda espacio entre las capas atómicamente delgadas de los cristales porque están densamente apilados uno encima del otro.

Sin embargo, el equipo descubrió que existían pequeñas brechas al forzar con éxito a los isótopos de hidrógeno a pasar a través de las minúsculas cavidades. Al hacerlo, el equipo logró separar estos isótopos a temperatura ambiente, explotando un fenómeno exótico, conocido como tamizado cuántico.

La separación de isótopos es típicamente una operación de gran consumo energético que se utiliza en sectores médicos y de investigación. El hidrógeno y el deuterio, isótopos del hidrógeno, tienen el mismo tamaño si se consideran partículas clásicas, pero son bastante diferentes en tamaño como ondas si se tiene en cuenta su naturaleza cuántica.

El deuterio tiene una longitud de onda más corta que el hidrógeno, lo que le permite pasar más fácilmente a través de pequeños capilares y separarse del hidrógeno. Este mecanismo de tamizado, conocido como tamizado cuántico, explota un atributo conocido como la "dualidad de la materia partícula-onda", un fenómeno físico bien conocido. Sin embargo, Por lo general, se requieren temperaturas extremadamente bajas para observarlo.

Observar la materia comportándose como ondas a temperatura ambiente requiere tamices mucho más finos, esto hasta ahora ha sido imposible de lograr. Ahora, el equipo de Manchester ha demostrado que los materiales 2-D pueden proporcionar tales tamices y que estos tamices se pueden utilizar para separar isótopos de hidrógeno a temperatura ambiente. Esto podría permitir que el proceso de separación sea mucho más eficiente.

El Dr. Sheng Hu, quien fue el primer autor de este estudio, dijo:"Los fenómenos cuánticos son muy raros a temperatura ambiente. Para observar las ondas de materia, normalmente es necesario fabricar artilugios sofisticados como trampas magneto-ópticas o ir a temperaturas criogénicas. Demostramos una configuración experimental que nos permite ver estos exóticos fenómenos cuánticos a temperatura ambiente ".

En la mayoría de los otros materiales, el isótopo más pesado, en este caso el deuterio, viajaría más lento que el más ligero, el hidrógeno. A diferencia de, el equipo de Manchester descubrió que el deuterio pasaba más fácilmente a través de los huecos de estos cristales que el hidrógeno. Se demostró que la razón era la masa más pesada de deuterio, lo que se traduce en una longitud de onda más corta y, por lo tanto, permite un paso más fácil a través de las rejillas más estrechas.

Dr. Marcelo Lozada, el autor correspondiente en este estudio, agregó:"Medio angstrom es realmente el límite absoluto de cómo se puede confinar la materia. Solo se puede especular sobre qué tipo de fenómenos pueden ocurrir a esta escala. Ahora podemos usar cristales en capas para investigar más a fondo en esencialmente un experimento de sobremesa".

Los científicos son optimistas sobre las implicaciones de este descubrimiento y continúan investigando estos cristales en capas en combinación con otros materiales para la separación de isótopos. Esta tecnología podría complementar los descubrimientos anteriores del grupo Manchester. El año pasado, el mismo grupo demostró que las membranas de grafeno pueden proporcionar la tecnología más eficiente para la separación de isótopos de hidrógeno.