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要素医师自身当(连载二三)

五月 24th, 2019  |  金沙js29992

约两个月前,诺贝尔物理学奖获得者、英国曼彻斯特大学教授安德烈海姆在接受科技日报记者独家专访时透露,为避免与很多人的研究挤在一起,他正在寻找目前石墨烯研究尚未涉及的新领域。新年伊始,翻看最新一期《科学》杂志刊载的论文,扑面而来是由海姆带领的曼彻斯特大学一支研究团队在石墨烯应用方面的新探索有关石墨烯简化生产重水并有助清理核废料的消息。
1月6日,记者第一时间采访了中国科学院院士、北京大学化学与分子工程学院教授刘忠范博士、中国石墨烯产业技术创新战略联盟秘书长李义春博士,以及素有中国石墨烯产业奠基人之称的冯冠平教授为这一新的研究成果作出解读及点评。石墨烯膜犹如一个筛子
在这项研究中,曼彻斯特大学的研究团队,采用石墨烯制膜滤出不同的氢同位素氘和氚,大大简化重水的生产过程,并有助于清理核废料,有望制备节能、高效和价廉的理想过滤器。
对于氢核聚变而言,氢的同位素氘是用作热核反应的重要能源,在分析和化学追踪技术中也被广泛使用。氘的氧化物即重水,在铀核裂变中可做为减速剂,由此在核电站运行中需要成千上万吨重水。氚是氢最重的同位素,其原子含有1个质子和两个中子,具有放射性,在核裂变工厂作为发电副产品须被安全去除。未来核技术的发展将基于这两个重同位素的核聚变。
安德烈在论文中称,由石墨烯制成的薄膜可作为一个筛子,从氢的同位素氘较重的原子核中分离质子。
曼大研究人员测试了氘的原子核,可以通过石墨烯及其姊妹材料氮化硼的膜。虽然现有理论不能预测两个同位素的渗透有何差异,而他们充分预计出氘核可以轻松通过。
研究人员惊奇地发现,氘不仅能够被一个原子厚的膜有效筛选分离,而且这一过程效率很高。这一发现使得单层石墨烯和氮化硼,对丰富的氘和氚混合物充当分离膜很具吸引力。有望成为理想的过滤器
目前,用于生产重水的分离技术需要相当多的能源消耗,并且在科学和工业上存在一些重大问题。而现在采用石墨烯有望使这一过程更有效率。
据物理学家组织网1月5日报道,采用这种石墨烯膜,可能意味着核电站生产重水的过程会减少10倍的能量消耗,而且过程更简化、花费更便宜。
此外,研究人员发现,这种分离是完全可升级的。他们利用化学气相沉积的石墨烯,建立了厘米大小的设备从氘和氢混合物中有效泵出氢。
此论文的第一作者、曼大博士后研究员马塞洛洛萨达伊达尔戈博士说:这是首次证明在室温条件下区分亚原子粒子的第一膜。现在,我们发现它是一个完全可扩展的技术,希望能很快找到实际应用的方法。
论文共同作者伊琳娜教授说,我们惊讶地发现,一种膜可用于分离单独的亚原子粒子。建立这个设置非常简单,希望不仅在分析和化学示踪技术上看到这些过滤器的应用,还能有助于清理源自核废料中的放射性氚。中国业界专家如何点评
在看到外媒报道这一消息之后,中国石墨烯产业界一线专家学者纷纷热议,十分关注。科技日报记者就此进行了采访。
刘忠范院士在接受科技日报记者采访时,对此研究成果点评道:非常有创意!人们已经知道只有质子能够穿透石墨烯,而现在进一步发现只有最轻的氢同位素质子能够穿过,这是一个新的发现,并可用在重水分离上,对于核废料的处理也将是更为节能高效的浓缩方法。尽管目前只是演示性的工作,但未来有着巨大商业化潜力。不过,实际的石墨烯和氮化硼并没有那么完美,有很多结构缺陷,大一点的东西也会穿过。这也许是未来在研究中需要努力突破的。
李义春博士指出,感觉这项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过滤特性,未来将是一个崭新的应用领域。
曾任深圳清华大学研究院创始院长、江南石墨烯研究院名誉理事长的冯冠平教授说,理论上这一研究能做到的话还是不错的,涉及到把石墨烯膜用于核废料处理上,把原来的生产重水流程大大简化。不过现在仅是论文阶段,未来能否在实际中发挥作用还有待观望。

(28)氢:元素符号H,稳定同位素氕氢为1.0079。

按照现有理论,元素序号在铁以下的元素都可以通过核聚变释放能量,而元素序号在铁以上的元素则只能通过核裂变释放能量,如果强行进行核聚变,则所要吸收的能量将超过最终所能释放的能量,也就是整个过程的能量释放为负数。

自然界中氢以1H(氕,H),2H(氘,D),3H(氚,T)三种同位素的形式存在,相对丰度分别为约99.985%、约0.015%、低于0.001%。其中1H(氕,H),2H(氘,D)是人体必需而安全的元素。

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氕(1H)通常称为氢,它是氢的主要稳定同位素,按原子百分数计,它是宇宙中最多的元素,在地球上的含量仅次于氧,它主要分布于水及各种碳氢化合物中,在空气中的含量仅为5X10-5%。氕的原子序数为1,原子量为1.007947。在常温下,它是无色无臭的气体。

虽然元素序号在铁以下的元素均可以进行核聚变并释放能量,但是不同元素产生核聚变所需的条件是不一样的。而核聚变的条件主要包括温度和压力,只有在温度和压力足够大的情况之下,核聚变才能发生。而在所有元素里,核聚变所需温度和压力最低的就是氢了,因此在人类没有掌握产生高温高压的技术之前,氢核聚变是最容易实现的。

氘<名>dāo,氢的同位素,其原子量为普通轻氢的二倍,少量的存在于天然水中,用于核反应,并在化学和生物学的研究工作中作示踪原子。氘为氢的一种稳定形态同位素,也被称为重氢,元素符号一般为D或2H。质量数2。它的原子核由一颗质子和一颗中子组成。在大自然的含量约为一般氢的7000分之一,用于热核反应。重氢在常温常压下为无色无嗅无毒可燃性气体,是普通氢的一种稳定同位素。它在通常水的氢中含0.0139%~0.0157%。其化学性质与普通氢完全相同。但因质量大,反应速度小一些。

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而氚氢具有放射性,半衰期为12.33年。蜕变时放出β射线后形成质量数为三的氦。用中子轰击锂可产生氚。放射性无机氚与同位素氕氘混合存在,在水中,空气中都存在。生命的第一元素应该是3H,它存在于生物细胞核、线粒体、叶绿体中含有DNA的部位。它在死屍有机物形成的气体中,早就不存在了。水中的3H可用活性碳滤芯水机除掉。

上图是一些常见元素的核聚变条件。从图中可以看到,从第1号元素氢到第2号元素氦,核聚变所需的温度就增加了一个数量级,也就是说氦元素核聚变所需温度是氢元素核聚变的10倍。而压力方面,所需的恒星质量也增加了10倍!(恒星质量越大,引力坍缩所产生的核心压力也越大)这个难易程度差距也太大了,关键是元素序号越大的,也就是越重的元素,核聚变的能量释放率反而越低,也就是相同质量的不同元素所能释放的能量是不一样的,元素越轻,相同质量下释放的能量就越大。所以想要通过核聚变获得能量,较重的元素不单实现核聚变更加困难,能量释放率还更低,这种吃力不讨好的事情谁愿意去做呢?

氢-4是氢的同位素之一,它包含了质子和三个中子。在实验室里,是用氘的原子核来轰炸氚的原子核,来合成一个氢4的原子核。在这过程中,氚的原子核会从氘的原子核上吸收一个中子。氢4的质量为4.0279121U,半衰期为9.93696×10-23秒。

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氢-4.1结构上类似氦,它包含了1个质子和2个中子,但因其中一个电子为渺子。由于渺子的轨道特殊,轨道非常接近原子核,而最内侧的电子轨道与渺子的轨道相较之下在很外侧,因此,该渺子可视为原子核的一部分。所以整个原子可视为:“原子核由1个渺子、1个质子和2个中子组成、外侧只有一个电子”。因此可以视为一种氢的同位素,也是一种奇异原子。一个渺子重约0.1U,故名氢-
4.1(H)。氢-4.1原子可以与其他元素反应,和行为更像一个氢原子不是像惰性的氦原子。

因此目前世界各国都只掌握了氢核聚变,没有国家打算制造氦以上的核聚变,不划算。其实目前好像也制造不了……

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