20 世纪早期同位素的发现标志着物理学史上的一个关键时刻,并导致对原子核的更精确的理解。同位素是元素周期表中给定元素的“版本”,它们具有相同数量的质子但具有不同数量的中子,因此质量不同。


这些质量差异可以从根本上改变原子的某些物理特性,例如它们的放射性衰变率、它们在核裂变反应堆中可能的反应途径等等。


虽然一种元素的大多数同位素具有相似的化学性质,但有一个值得注意的例外:氢同位素。地球上的大多数氢原子只含有一个质子和一个电子,但也存在氢同位素,其中也有一个中子(氘)或两个中子(氚)。


氘的重量基本上是“正常”氢的两倍,已发现许多实际和科学用途。例如,它可用于标记和跟踪蛋白质等分子以研究生化过程。它还可以战略性地用于药物中,以降低其代谢率并增加其在体内的半衰期。


氘的另一个重要应用存在于半导体电子领域。硅基半导体的表面必须用氢“钝化”,以确保硅原子不会轻易脱落(解吸),从而提高微芯片、电池和太阳能电池的耐用性。


然而,通过仍未完全了解的机制,用氘代替氢钝化导致解吸概率降低约一百倍,这意味着氘可能很快成为电子设备中不可或缺的成分。


不幸的是,氘的采购和用它来丰富硅表面的可用技术都非常低能效或需要非常昂贵的氘气。


幸运的是,在日本名古屋市立大学 (NCU),由 Takahiro Matsumoto 教授领导的一组科学家发现了一种使用稀氘溶液富集硅表面的节能策略。


这项研究发表在《物理评论材料》(“Determination of localized surface phonons in nanocrystalline silicon by inelastic neutron scattering spectroscopy and its application to deuterium isotope enrichment”),是与日本原子能厅的大原隆博士合作进行的和京都大学的 Yoshihiko Kanemitsu 博士。

新的节能方法有望在硅中富集氢同位素,为氘的应用铺平道路

在 HDO 分子(氘:红色球体,氢:粉红色球体,氧:绿色球体,硅:蓝色球体)存在的情况下,氢-氘交换反应在以氢为末端的 n-Si 表面的示意图。(图片:Takahiro Matsumoto,名古屋市立大学)


研究人员发现,在纳米晶硅(n-Si)的表面上会发生一种从氢到氘的特殊交换反应。他们使用非弹性中子散射在浸没在含氘溶液中的 n-Si 薄膜中证明了这种反应。这种光谱技术涉及将中子照射到样品上并分析由此产生的原子运动或晶体振动。


这些实验与其他基于量子力学的光谱方法和能量计算相结合,揭示了有利于用氘替换 n-Si 表面上的氢终端的潜在机制:交换过程与表面振动模式的差异密切相关在氢和氘封端的 n-Si 之间。


在液相中进行的实验中,我们实现了 n-Si 上表面氘原子浓度的四倍增加,松本博士强调说,我们还提出了 n-Si 的气相富集方案,根据我们的理论计算可以将氘浓缩率提高 15 倍。

新的节能方法有望在硅中富集氢同位素,为氘的应用铺平道路

这种利用 n-Si 表面量子效应的创新策略可以为获取和利用氘的新方法铺平道路。我们报告的高效氢-氘交换反应可能会导致可持续、经济可行且环境友好的氘浓缩协议,从而导致更耐用的半导体技术,松本博士总结道。


NCU团队还表示,理论上已经预测,氢越重,交换反应的效率就越高。因此,我们可以期待更有效地富集 n-Si 上的氚原子,从而有可能净化被氚污染的水。我们认为这是一个必须紧急解决的问题。


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