Pesquisadores da Universidade de Manchester descobriram que as lacunas que ocorrem naturalmente entre camadas individuais de materiais bidimensionais podem ser usadas como uma peneira para separar átomos diferentes.

Escrevendo em Nature Nanotechnology , os cientistas de Manchester mostram que o hidrogênio e o deutério - dois isótopos de hidrogênio - podem ser separados se empurrados através de espaços minúsculos entre materiais atomicamente finos, como nitreto de boro hexagonal ou dissulfeto de molibdênio.

Semelhante ao grafeno, esses materiais podem existir em uma camada bidimensional (2-D) e exibir propriedades únicas devido à sua estrutura física. Empilhar diferentes cristais 2-D pode permitir a criação de materiais multifuncionais sob medida para finalidades específicas.

A equipe de Manchester liderada por Sir Andre Geim relatou que alguns cristais em camadas 2-D podem ser usados ​​como a menor malha possível para criar peneiras subatômicas. À primeira vista, não há espaço deixado entre as camadas atomicamente finas dos cristais porque eles estão densamente empilhados uns sobre os outros.

No entanto, a equipe descobriu que lacunas minúsculas existiam ao forçar com sucesso os isótopos de hidrogênio a passar pelas cavidades minúsculas. Ao fazê-lo, a equipe conseguiu separar esses isótopos em temperatura ambiente, explorando um fenômeno exótico, conhecido como peneiramento quântico.

A separação de isótopos é tipicamente uma operação altamente intensiva de energia que é usada em energia nuclear, setores médicos e de pesquisa. Hidrogênio e deutério - isótopos de hidrogênio - têm o mesmo tamanho se considerados como partículas clássicas, mas são bastante diferentes em tamanho como ondas se sua natureza quântica for levada em consideração.

O deutério tem um comprimento de onda mais curto do que o hidrogênio, o que permite que ele passe mais facilmente através de minúsculos capilares e se separe do hidrogênio. Este mecanismo de peneiramento, conhecido como peneiramento quântico, explora um atributo conhecido como 'dualidade partícula-onda da matéria' - um fenômeno conhecido da física. Contudo, temperaturas extremamente baixas são normalmente necessárias para observá-lo.

Observar a matéria se comportando como ondas em temperatura ambiente requer peneiras muito mais finas, isso até agora tem sido impossível de alcançar. Agora, a equipe de Manchester mostrou que materiais 2-D podem fornecer tais peneiras e que essas peneiras podem ser usadas para separar isótopos de hidrogênio em temperatura ambiente. Isso pode permitir que o processo de separação seja muito mais eficiente.

O Dr. Sheng Hu, o primeiro autor deste estudo, disse:"Os fenômenos quânticos são muito raros à temperatura ambiente. Para observar as ondas de matéria, normalmente é necessário fabricar engenhocas sofisticadas, como armadilhas magneto-ópticas ou ir para temperaturas criogênicas. Demonstramos uma configuração experimental que nos permite ver esses fenômenos quânticos exóticos em temperatura ambiente. "

Na maioria dos outros materiais, o isótopo mais pesado - neste caso o deutério - viajaria mais devagar do que o mais leve - o hidrogênio. Em contraste, a equipe de Manchester descobriu que o deutério passa mais facilmente pelas lacunas desses cristais do que o hidrogênio. O motivo foi mostrado ser a massa mais pesada de deutério, o que se traduz em um comprimento de onda mais curto e, portanto, permite uma passagem mais fácil pelas grades mais estreitas.

Dr. Marcelo Lozada, o autor correspondente neste estudo, acrescentou "Metade de um angstrom é realmente o limite absoluto de como a matéria pode ser confinada. Só podemos especular sobre que tipo de fenômeno pode ocorrer nesta escala. Agora podemos usar cristais em camadas para investigar mais profundamente em um experimento de bancada".

Os cientistas estão otimistas sobre as implicações desta descoberta e continuam a investigar esses cristais em camadas em combinação com outros materiais para a separação de isótopos. Esta tecnologia pode complementar as descobertas anteriores do grupo Manchester. No ano passado, o mesmo grupo mostrou que as membranas de grafeno podem fornecer a tecnologia mais eficiente para a separação de isótopos de hidrogênio.