Двумерный нитрид бора превратили в квантовое сито для разделения изотопов водорода

Пленки из многослойного гексагонального нитрида бора оказались подходящим материалом для транспорта протонов и разделения изотопов водорода. Материал разделяет частицы благодаря эффекту квантового сита, который основан на разнице в длине волны де Бройля между ядрами водорода и дейтерия, пишут физики в Nature Nanotechnology.

В квантовой механике волновую природу частицы, обладающей массой, можно показать, описав ее поведение с помощью волны де Бройля, определяющей вероятность обнаружить объект в данной точке пространства. Несмотря на то, что такую волну можно приписать любому объекту, для всех крупных частиц длина волны де Бройля ничтожно мала, однако она становится измеримой для элементарных частиц или самых легких атомов. Так, для атома водорода длина волны де Бройля при комнатной температуре составляет порядка десятой доли нанометра, что соизмеримо с длиной химической связи. С одной стороны, это тоже совсем немного, а с другой — такой величины уже может оказаться достаточно для использования волновых свойств атомов в полезных целях.

Волна де Бройля напрямую зависит от массы объекта, поэтому эту разницу для разных частиц можно использовать для их разделения. Например, неоднократно этот эффект предлагали использовать для создания квантового сита, которое за счет разницы в длине волны де Бройля может отделять друг от друга, например, изотопы водорода. Так, при комнатной температуре для атома водорода H длина волны де Бройля составляет 0,145 нанометра, а для атома дейтерия D (у которого, кроме протона, в ядре есть один нейтрон) — 0,102 нанометра. А при понижении температуры до температуры, близкой к абсолютному нулю, длина волны де Бройля изотопов водорода может достигать и микрометровых величин. За счет эффектов квантовой локализации этой разницы оказывается достаточно, чтобы отличались адсорбционные или диффузионные свойства, например у молекул H₂ и D₂, что и используют в квантовых ситах на основе цеолитов или металл-органических каркасных структур для разделения этих изотопов.

Группа физиков из Великобритании, Бельгии, Ирана и Германии под руководством Марсело Лосады-Идальго (Marcelo Lozada-Hidalgo) из Манчестерского университета предложила использовать в качестве основного вещества подобного квантового сита многослойные материалы, составленные из двумерных кристаллов, связанных между собой силами Ван-дер-Ваальса. Свой подход ученые проверили на трех различных двумерных кристаллах: нитриде бора, графене и дисульфиде молибдена. В первых двух случаях расстояние между кристаллами составляло примерно 0,331 нанометра, в третьем — 0,615 нанометра.

Для проверки возможности разделения частиц ученые размещали пленку многослойных двумерных кристаллов толщиной до 500 нанометров на пористую мембрану из нитрида кремния, сквозь которую проходил поток смеси двух типов частиц — протонов и дейтронов (ядра водорода и дейтерия соответственно). Эти пленки имели такую геометрию, что частицы оказывались в пространстве между отдельными кристаллическими слоями. Для улучшения транспорта водорода пленку двумерных кристаллов дополнительно покрыли тонким слоем палладия. Физики при этом отмечают, что двухатомные молекулы водорода, которые также могли содержаться в начальной смеси, вообще не могли просочиться между слоями из-за своего слишком большого размера.

Возможность протонов и дейтронов проникать сквозь три типа мембран ученые оценили, измерив ионную проводимость пленок. Оказалось, что лучше всего ядра атомов водорода проходят между слоями нитрида бора, а через графен — не проходят совсем. Исходя из полученных результатов, физики оценили коэффициент диффузии протонов и дейтронов и в случае нитрида бора он оказался, например, на три порядка больше, чем для ионов лития в графите, который используется в качестве материала электродов в литий-ионных батареях.

При этом за счет разницы в длине волны де Бройля ядрам водорода и дейтерия требуется разная энергия для попадания внутрь пленки. Так, входное сопротивление для ядер дейтерия в пленке из нитрида бора длиной 500 нанометров оказалось на 40 процентов меньше, чем для протона, а в такой же пленке из дисульфида молибдена — на 20 процентов меньше. Этот эффект ученые предлагают использовать для изотопного разделения водорода и создания квантовых сит из многослойных двумерных материалов. При этом по словам исследователей, расстояние между атомарными слоями в таких кристаллах — почти минимальное возможное для прохождения через них атомов, и меньше размера пор, в том числе в углеводородных, металл-органических и цеолитных квантовых ситах.

Использование многослойных двумерных материалов для более традиционных методов фильтрования — не редкость. Так, с помощью оксида графена удалось разработать фильтр для опреснения воды, который полностью очищает ее от растворенных в ней солей. При этом результаты моделирования свидетельствуют, что даже более эффективным может оказаться фильтр из другого двумерного материала — дисульфида молибдена.

Александр Дубов