Квантовые эффекты, возникающие в графеновых нанопорах, открывают дорогу для разделения изотопов фильтрацией.
Фильтрация изотопов: Нанопористое разделение
Обработка графеновых нанопор азотом позволит им отфильтровывать гелий-3

Разделение изотопов методом фильтрации долгое время считалось, в лучшем случае, чем-то вроде шутки. Однако недавно большой команде химиков, включающей группы из Германии, Новой Зеландии и США, удалось найти метод превращения усеянного наноразмерными порами листа графена в фильтр, способный пропускать легкий изотоп гелий-3 и задерживать более тяжелый гелий-4.

Гелий-3 намного менее распространен, нежели обычный гелий-4: в земной атмосфере на миллион частей гелия-4 приходится 1,4 части гелия-3. Оба изотопа постоянно улетучиваются в космос, но убыль гелия-4 восполняется за счет альфа-распада тяжелых элементов, а практически весь гелий-3 на Земле сохранился со времен формирования планеты. Растворенный в мантии, он через вулканы и разломы поступает в воздух — в количестве нескольких килограммов в год.

При этом современная наука — ядерная и термоядерная физика, некоторые области химии — постоянно нуждается в некоторых количествах гелия-3, который получают промышленно в реакции распада трития. Однако получаемых объемов постоянно не хватает, так что весьма привлекательной выглядит возможность добывать его в ходе простого процесса фильтрации из естественных источников.

Возможность такую открывают теоретические расчеты и моделирование, проведенные недавно химиками под общим руководством новозеландского профессора Питера Швердтфегера (Peter Schwerdtfeger). Работа показала, что внесение в плоский лист графена отверстий определенного размера меняет его проницаемость, и если затем функционализировать поры азотом, энергетический барьер, который придется преодолеть атомам гелия-3 для проникновения сквозь них будет достаточно низок, а для гелия-4 — высок для того, чтобы эти изотопы эффективно разделялись.

В принципе, такой подход может быть в будущем адаптирован и для разделения других газов. Графен для этого достаточно инертен, существуют технологии создания в нем нанопор нужного диаметра. «Гелий-3 был лишь использован в качестве примера, для проверки того, что квантовые эффекты, возникающие в нанопорах, могут быть использованы для разделения изотопов», — говорит Швердтфегер. Хотя практической работы в этом направлении остается немало: достаточно сказать, что пока не существует надежных и простых способов получения крупных листов графена.

По сообщению Royal Society of Chemistry