Международная группа исследователей из США, Новой Зеландии и Германии разработали способ применения крошечных пор в структуре графена для разделения различных изотопов гелия.

Исследователи рассчитали, что создание пор определенного размера может изменить проницаемость графена, позволяя нуклиду ³He проникать через мембрану, в то время как более тяжелый нуклид ⁴He не сможет пройти через мембрану.

Разработанный подход в перспективе может оказаться полезным, как для получения 3He для его исследования, а также – для разделения и других газов, как для исследовательских целей, так и для промышленного применения.

Нуклид ³He присутствует в атмосфере Земли, при этом на десять миллионов атомов ⁴He приходится 14 атомов ³He. Еще одно место локализации ³He – мантия Земли, в которой присутствуют атомы ³He, образовавшиеся еще во время первичного нуклеосинтеза – в ходе Большого Горячего Взрыва.

Нуклид ³He находит применение при исследовании термоядерных процессов и в низкотемпературной химии, при этом большая часть ³He, доступная для ученых и промышленности, получается за счет β-распада трития, и этот источник не может обеспечить потребности в ³He, из-за чего исследователям необходимо разрабатывать методы сбора 3He из доступных в природе источников.

С помощью методов квантовой химии исследователи установили, что

удаление циклов из идеального листа графена должно увеличивать проницаемость материала. Тем не менее, такой подход регулирования проницаемости не была достаточна для того, чтобы лист графена позволял туннелировать атомам ³He, останавливая ⁴He.

Функционализация нанопор атомами азота позволила исследователям осуществить тонкую настройку значения барьера туннелирования, что в обозримом будущем позволит создать практическую систему эффективного разделения двух изотопов гелия в промышленных масштабах [1,2].

Помимо перспективного подхода, позволяющего освоить новые источники ³He, разработанный подход позволить применять графен для разделения и других газов. Руководитель проекта Петер Швердтфегер (Peter Schwerdtfeger) отмечает, что графен представляет собой относительно инертный материал, в котором могут быть проделаны наноотверстия заданного размера, а ³He и ⁴He в качестве объектов исследования были выбраны только для того, чтобы определить, можно ли использовать **эффекты квантово-механического туннелирования для разделения изотопной смеси.

Де-ен Цзянь (De-en Jiang), ранее работавший совместно с Швердтфегером и проводивший первое моделирование разделения смеси газов с помощью графена [3], высоко оценивает прогресс в работе, которую он начинал, заявляя, однако, что теперь было бы интересно получить экспериментальное подтверждение теоретическим прогнозам. По его словам, несколько исследовательских групп в настоящее время пытается разделять смеси разов с помощью нанопор в графене.

Однако для практического разделения изотопов гелия и других газов еще необходимо преодолеть ряд технических сложностей.

Например, достаточно сложно получать листы графена большой площади, также процесс необходимо проводить при низких температурах порядка 10 К.

Источники информации:

[1] J. Phys. Chem. C, 2012, DOI: 10.1021/jp302498d;

[2] J. Phys. Chem. Lett., 2012, 3, 209 (DOI: 10.1021/jz201504k);

[3] Nano. Lett., 2009, 9, 4019 (DOI: 10.1021/nl9021946).