Физики создали ткань, способную "сортировать" изотопы разных элементов
Корейские ученые создали необычную ткань, способную разделять тяжелые и легкие изотопы различных элементов, если ее пропитать их смесью и сжать. "Рецепт" по ее изготовлению был опубликован в Journal of the American Chemical Society.
"Если на эту "ткань" воздействуют какие-то внешние стимулы, то поры внутри нее меняют свою форму, в результате чего возникает эффект, похожий на дыхание пор на листьях растений или на поверхности кожи. Иными словами, эти отверстия начинают сжиматься и расширяться. Используя этот эффект, мы можем поглощать и испускать определенные изотопы", - рассказывает Чин-ен Ким (Jin Yeong Kim) из Национального института науки и технологий в Ульсане (Корея).
Одной из самых сложных задач в химии и физики является разработка методов, позволяющих извлекать только определенные изотопы из природных залежей тех или иных элементов или смеси продуктов ядерных и термоядерных реакций. Как правило, большая часть таких методик требует затрат огромных количеств энергии и других ресурсов, и имеет массу ограничений, поэтому они применяются в основном для военных, энергетических и научных целей.
Ким и его коллеги создали материал, своеобразную "ткань", которая может решать одну из самых сложнейших задач такого рода, отделять обычный водород от тяжелого дейтерия, экспериментируя с так называемыми металл-органическими каркасами (МОК).
Они представляют собой сложные полимерные материалы, похожие по структуре на пчелиные соты и обладающие очень высокой пористостью и прочностью. Сегодня МОК используются для создания фильтров, способных улавливать углекислоту или водород и удерживать в себе огромные количества этих газов.
Размеры сот в подобных структурах, как заметили корейские физики, могут сильно меняться, если эти каркасы сжимаются или растягиваются, что заметным образом поменяет то, какие молекулы и атомы они могут поглощать и удерживать в себе. Это натолкнуло их на идею, что МОК можно сконструировать таким образом, что его поры будут пропускать только один тип изотопа при сжатии или растягивании, и все варианты того или иного элемента в состоянии покоя.
Используя эту идею, корейские ученые создали своеобразное "сито", которое свободно пропускает через себя молекулы обычного водорода, но в ячейках которого застревают более тяжелые молекулы дейтерия. Как и в случае с обычным ситом, его можно очистить от тяжелого водорода, просто хлопнув по нему рукой или тяжелым предметом в правильный момент времени. Это заставит материал сжаться, в результате чего размер пор поменяется, и дейтерий будет "катапультирован" из ткани.
Аналогичного результата можно добиться, нагрев "сито" или поменяв температуру газа, который пропускается через него, что позволяет сортировать изотопы в полностью автоматическом режиме, не используя сложные системы очистки и разделения потоков газа. Это, как считают ученые, выгодно отличает его от большинства других методов разделения изотопов, гораздо более неудобных в использовании и требующих постоянного внимания со стороны технологов.
Как отмечают ученые, каждый грамм такой ткани может вбирать в себя примерно 12 миллиграмм дейтерия, что является рекордно высокой величиной для установок такого рода. Эффективность работы "сита", по мнению Кима, можно сделать еще более высокой, если подобрать идеальный момент для "вытряхивания" тяжелого изотопа из его пор.
Подобным же образом можно сортировать и разделять и другие изотопы и молекулы, очень похожие друг на друга размерами и формой. Ученые надеются, что их методика найдет применение и в промышленности, и в лабораториях по всему миру.
