約兩個月前，諾貝爾物理學獎獲得者、英國曼徹斯特大學教授安德烈·海姆在接受科技日報記者獨家專訪時透露，為避免與很多人的研究擠在一起，他正在尋找目前石墨烯研究尚未涉及的新領域。新年伊始，翻看最新一期《科學》雜志刊載的論文，撲面而來是由海姆帶領的曼徹斯特大學一支研究團隊在石墨烯應用方面的新探索——有關“石墨烯簡化生產(chǎn)重水并有助清理核廢料”的消息。

曼徹斯特大學諾貝爾獎得主安德烈爵士領導的研究小組發(fā)現(xiàn)，石墨烯膜從功能上說類似于一個篩子，可以分離氫核(質子)和比較重的氫同位素氘核。《科學》雜志及曼徹斯特大學官網(wǎng)刊登的論文稱，核工業(yè)界使用石墨烯作為過濾器將在成本控制、核廢物清理等領域發(fā)揮重大影響，“石墨烯可以簡化重水生產(chǎn)工藝，并通過過濾氫的同位素以清理核廢料”。

根據(jù)曼徹斯特大學透漏出來的更為詳細的結論，這意味著相比傳統(tǒng)方法，特種生產(chǎn)重水的能源密度程度、生產(chǎn)程序和成本都將降至原來的十分之一，而“現(xiàn)有的分離技術還會造成重大的科學和工業(yè)問題”。

2010年，瑞典皇家科學院授予安德烈爵士以及曼徹斯特大學的KonstantinNovoselov諾貝爾物理學獎，以表彰他們“關于二維石墨烯材料方面的突破性實驗”。

石墨烯膜猶如一個篩子

在這項研究中，曼徹斯特大學的研究團隊，采用石墨烯制膜濾出不同的氫同位素——氘和氚，大大簡化重水的生產(chǎn)過程，并有助于清理核廢料，有望制備節(jié)能、高效和價廉的理想過濾器。

對于氫核聚變而言，氫的同位素——氘(又稱重氫)是用作熱核反應的重要能源，在分析和化學追蹤技術中也被廣泛使用。氘的氧化物即重水，在鈾核裂變中可做為減速劑，由此在特種運行中需要成千上萬噸重水。氚是氫最重的同位素，其原子含有1個質子和兩個中子，具有放射性，在核裂變工廠作為發(fā)電副產(chǎn)品須被安全去除。未來核技術的發(fā)展將基于這兩個重同位素的核聚變。

安德烈在論文中稱，由石墨烯制成的薄膜可作為一個篩子，從氫的同位素氘較重的原子核中分離質子。

曼大研究人員測試了氘的原子核，可以通過石墨烯及其姊妹材料氮化硼的膜。雖然現(xiàn)有理論不能預測兩個同位素的滲透有何差異，而他們充分預計出氘核可以輕松通過。

研究人員驚奇地發(fā)現(xiàn)，氘不僅能夠被一個原子厚的膜有效篩選分離，而且這一過程效率很高。這一發(fā)現(xiàn)使得單層石墨烯和氮化硼，對豐富的氘和氚混合物充當分離膜很具吸引力。

中國業(yè)界專家如何點評

在看到外媒報道這一消息之后，中國石墨烯產(chǎn)業(yè)界一線專家學者紛紛熱議，十分關注。科技日報記者就此進行了采訪。

劉忠范院士在接受科技日報記者采訪時，對此研究成果點評道：“非常有創(chuàng)意!人們已經(jīng)知道只有質子能夠穿透石墨烯，而現(xiàn)在進一步發(fā)現(xiàn)只有最輕的氫同位素質子能夠穿過，這是一個新的發(fā)現(xiàn)，并可用在重水分離上，對于核廢料的處理也將是更為節(jié)能高效的濃縮方法。盡管目前只是演示性的工作，但未來有著巨大商業(yè)化潛力。不過，實際的石墨烯和氮化硼并沒有那么完美，有很多結構缺陷，大一點的東西也會穿過。這也許是未來在研究中需要努力突破的。”

李義春博士指出，“感覺這項研究和石墨烯海水淡化的原理差不多，利用了石墨烯的吸附和過濾特性，未來將是一個嶄新的應用領域。”

曾任深圳清華大學研究院創(chuàng)始院長、江南石墨烯研究院名譽理事長的馮冠平教授說，“理論上這一研究能做到的話還是不錯的，涉及到把石墨烯膜用于核廢料處理上，把原來的生產(chǎn)重水流程大大簡化。不過現(xiàn)在僅是論文階段，未來能否在實際中發(fā)揮作用還有待觀望。”