(Phys.org) - Membranas convencionais usadas para peneirar espécies atômicas e moleculares não podem escalar até o nível subatômico, tornando-os incapazes de separar íons de isótopos de hidrogênio (prótons, deutérios e tritões). Ao mesmo tempo, não há métodos atuais de separação direta desses isótopos, e as abordagens atuais consomem muita energia e, portanto, caras - às vezes até proibitivas. Recentemente, Contudo, cientistas da Universidade de Manchester (Reino Unido) demonstraram um romance, abordagem escalável e altamente competitiva que usa monocamadas de grafeno e nitreto de boro como peneiras extremamente finas para separar isótopos de hidrogênio. Além disso, além do mecanismo de peneiramento simples e robusto da nova abordagem, ele oferece configurações simples e a necessidade de apenas água como entrada, sem a necessidade de compostos químicos adicionais.

Dr. Marcelo Lozada-Hidalgo e Phys.org discutiu o papel que ele e seus colegas, liderado pelo Professor Regius e Professor de Pesquisa da Royal Society, Sir Andre Geim, publicado em Ciência . "Em nossa investigação anterior ¹ sobre se os deutérios permeiam os cristais 2D de maneira diferente dos prótons, certamente houve muito trabalho duro envolvido, "Lozada-Hidalgo conta Phys.org . "Tivemos que fabricar um grande número de dispositivos, e relatado em cerca de 50, para este projeto a fim de coletar estatísticas robustas - mas o principal desafio era explicar os resultados. "Os cientistas esperavam que os deutérios penetrassem apenas um pouco mais devagar do que os prótons (talvez um fator de 1,5 ou mais, mas certamente não é um fator de 10, Lozada-Hidalgo diz). "Além disso, a teoria existente não previu nenhuma diferença! Descobrimos isso no final, mas foi um desafio porque o campo é altamente interdisciplinar, estando na interseção da física, química e ciência dos materiais, e também é muito novo - com apenas dois anos - então ainda há muito a descobrir. Então de novo, isso torna tudo ainda mais emocionante. "

Um resultado contra-intuitivo, Lozada-Hidalgo acrescenta, estava descobrindo o mesmo efeito isotópico para todos os cristais - um fator diferencial de dez na permeação entre prótons e deuterons. Finalmente conseguimos entender tudo - mas certamente foi confuso por um tempo. "

O insight principal da equipe derivado de técnicas de alavancagem desenvolvidas em seu artigo anterior ¹ . "O mais importante era a capacidade de produzir um grande número de membranas de cristal totalmente suspensas de grafeno e nitreto de boro hexagonal, o que nos permitiu separar as interfaces por uma membrana de apenas um átomo de espessura. Estamos acostumados com isso em nosso laboratório agora, mas é realmente notável que o grafeno, uma malha de cristal em escala atômica, pode peneirar partículas subatômicas. "Além disso, devido à sua magreza atômica, os pesquisadores são capazes de investigar fenômenos que antes eram impossíveis de acessar - e fazê-lo em temperatura ambiente.

Em seu artigo atual, os cientistas afirmam que sua abordagem oferece uma forma competitiva e escalonável para enriquecimento de isótopos de hidrogênio. "Hidrogênio, deutério e trítio - os três isótopos de hidrogênio - têm propriedades químicas muito semelhantes, o que os torna muito difíceis de separar e requer alguns dos processos mais intensivos em energia da indústria química, "Lozada-Hidalgo explica." Até agora, não havia método de separação direta para isótopos de hidrogênio, então as soluções, enquanto engenhoso, eram muito caros. "Ele aponta que a implicação tecnológica de seus resultados é que o grafeno e o nitreto de boro são, em essência, peneiras extremamente finas - uma descoberta que poderia ter um grande impacto em, por exemplo, remoção de resíduos de trítio da água. Isso seria especialmente importante em acidentes nucleares como o desastre de Fukushima, onde, embora os resíduos radioativos pesados, como o urânio, tenham sido removidos com sucesso, trítio, devido à sua semelhança com o hidrogênio (e, portanto, com a água) tem se mostrado particularmente difícil de remover. Além disso, porque o grafeno está peneirando fisicamente os isótopos usando apenas água na entrada, sem compostos químicos adicionais, os custos de energia e processo associados a este método de separação de isótopos são menores do que os dos processos existentes.

Um dos grandes sucessos do projeto, Lozada-Hidalgo diz, estava mostrando que rachaduras macroscópicas e orifícios presentes no grafeno CVD não afetam a eficiência da abordagem porque os hidrons (um nome coletivo para os íons de todos os três isótopos de hidrogênio - isto é, prótons, deuteron e tritons) são bombeados eletroquimicamente apenas através das áreas de grafeno que estão em contato elétrico. "Conseguimos dimensionar dispositivos para tamanhos de centímetros, sem o qual teríamos obtido uma visão significativa do processo de transporte de prótons - mas as aplicações ainda estariam um longo caminho à frente. Para fazer isso, em um de nossos experimentos, usamos o grafeno simultaneamente como um eletrodo e uma peneira de prótons - uma geometria completamente nova possível apenas por causa das propriedades extraordinárias do grafeno. "Nessa geometria, os pesquisadores usaram uma corrente elétrica para bombear prótons através do grafeno, assim, peneirando os isótopos.

"O recurso realmente incrível dessa geometria, "ele enfatiza, "é que ele só bombeia prótons nas regiões que têm grafeno porque, muito simples, nas regiões onde o grafeno está ausente, não há capacidade de bomba de prótons. Esta geometria é, portanto, muito resistente a rachaduras, que estão fadados a acontecer em dispositivos da vida real. "

O estudo também mostrou que o grafeno não é o único material que pode servir como peneira iônica, e por exemplo, monocamadas hexagonais de nitreto de boro (hBN). "O nitreto de boro é muito atraente porque é um condutor de prótons ainda melhor do que o grafeno, e, portanto, permitiria uma peneiração mais rápida. "A equipe se concentrou no grafeno, Lozada-Hidalgo observa, porque o nitreto de boro de deposição química por vapor (CVD) em monocamada ainda não está disponível comercialmente em grandes quantidades.

Os cientistas também têm outros planos. "Em seguida, queremos trabalhar com trítio, Lozada-Hidalgo conta Phys.org , "já que não poderíamos usá-lo em nossos experimentos anteriores porque ele é radioativo. Estamos confiantes de que encontraremos os mesmos resultados que com o deutério - mas mesmo assim é interessante demonstrá-lo." Além disso, ele adiciona, sendo este um campo de pesquisa muito novo, eles continuam a descobrir novos fenômenos.

Mesmo sendo uma disciplina nova, existem outros campos de pesquisa que já podem ser vistos como potencialmente se beneficiando do estudo da equipe. "Engenharia química é um campo óbvio, mas é apenas um deles. Como os isótopos de hidrogênio são usados ​​como marcadores em reações químicas, acreditamos que nossa pesquisa pode ter implicações muito interessantes em, por exemplo, biologia, onde há uma extensa pesquisa sobre a interação do DNA e outras biomoléculas com as membranas de grafeno. Química é outro exemplo, em que a realização de reações com deutério em vez de hidrogênio elucida as etapas limitantes nos processos químicos. Finalmente, "Lozada-Hidalgo conclui, "Há muito a ser investigado usando membranas subatomicamente seletivas - a seletividade final que uma membrana pode exibir - e os cristais bidimensionais são as primeiras membranas a mostrar essa capacidade. Estamos muito entusiasmados com as possibilidades no futuro!"

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