約兩個(gè)月前，諾貝爾物理學(xué)獎獲得者、英國曼徹斯特大學(xué)教授安德烈·海姆在接受科技日報記者獨家專(zhuān)訪(fǎng)時(shí)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(lǐng)域。新年伊始，翻看最新一期《科學(xué)》雜志刊載的論文，撲面而來(lái)是由海姆帶領(lǐng)的曼徹斯特大學(xué)一支研究團隊在石墨烯應用方面的新探索——有關(guān)“石墨烯簡(jiǎn)化生產(chǎn)重水并有助清理核廢料”的消息。

1月6日，記者第一時(shí)間采訪(fǎng)了中國科學(xué)院院士、北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院教授劉忠范博士、中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng )新戰略聯(lián)盟秘書(shū)長(cháng)李義春博士，以及素有“中國石墨烯產(chǎn)業(yè)奠基人”之稱(chēng)的馮冠平教授為這一新的研究成果作出解讀及點(diǎn)評。

石墨烯膜猶如一個(gè)篩子

在這項研究中，曼徹斯特大學(xué)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(jiǎn)化重水的生產(chǎn)過(guò)程，并有助于清理核廢料，有望制備節能、高效和價(jià)廉的理想過(guò)濾器。

對于氫核聚變而言，氫的同位素——氘（又稱(chēng)重氫）是用作熱核反應的重要能源，在分析和化學(xué)追蹤技術(shù)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，由此在核電站運行中需要成千上萬(wàn)噸重水。氚是氫最重的同位素，其原子含有1個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子，具有放射性，在核裂變工廠(chǎng)作為發(fā)電副產(chǎn)品須被安全去除。未來(lái)核技術(shù)的發(fā)展將基于這兩個(gè)重同位素的核聚變。

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

曼大研究人員測試了氘的原子核，可以通過(guò)石墨烯及其姊妹材料氮化硼的膜。雖然現有理論不能預測兩個(gè)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(guò)。

研究人員驚奇地發(fā)現，氘不僅能夠被一個(gè)原子厚的膜有效篩選分離，而且這一過(guò)程效率很高。這一發(fā)現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。

有望成為理想的過(guò)濾器

目前，用于生產(chǎn)重水的分離技術(shù)需要相當多的能源消耗，并且在科學(xué)和工業(yè)上存在一些重大問(wèn)題。而現在采用石墨烯有望使這一過(guò)程更有效率。

據物理學(xué)家組織網(wǎng)1月5日報道，采用這種石墨烯膜，可能意味著(zhù)核電站生產(chǎn)重水的過(guò)程會(huì )減少10倍的能量消耗，而且過(guò)程更簡(jiǎn)化、花費更便宜。

此外，研究人員發(fā)現，這種分離是完全可升級的。他們利用化學(xué)氣相沉積（CVD）的石墨烯，建立了厘米大小的設備從氘和氫混合物中有效泵出氫。

此論文的第一作者、曼大博士后研究員馬塞洛洛薩達·伊達爾戈博士說(shuō)：“這是首次證明在室溫條件下區分亞原子粒子的第一膜。現在，我們發(fā)現它是一個(gè)完全可擴展的技術(shù)，希望能很快找到實(shí)際應用的方法。”

論文共同作者伊琳娜教授說(shuō)，“我們驚訝地發(fā)現，一種膜可用于分離單獨的亞原子粒子。建立這個(gè)設置非常簡(jiǎn)單，希望不僅在分析和化學(xué)示蹤技術(shù)上看到這些過(guò)濾器的應用，還能有助于清理源自核廢料中的放射性氚。”

中國業(yè)界專(zhuān)家如何點(diǎn)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(xiàn)專(zhuān)家學(xué)者紛紛熱議，十分關(guān)注。科技日報記者就此進(jìn)行了采訪(fǎng)。

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

李義春博士指出，“感覺(jué)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(guò)濾特性，未來(lái)將是一個(gè)嶄新的應用領(lǐng)域。”

曾任深圳清華大學(xué)研究院創(chuàng )始院長(cháng)、江南石墨烯研究院名譽(yù)理事長(cháng)的馮冠平教授說(shuō)，“理論上這一研究能做到的話(huà)還是不錯的，涉及到把石墨烯膜用于核廢料處理上，把原來(lái)的生產(chǎn)重水流程大大簡(jiǎn)化。不過(guò)現在僅是論文階段，未來(lái)能否在實(shí)際中發(fā)揮作用還有待觀(guān)望。”

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