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 日本原子力研究開発機構(JAEA)、東京大学、北海道大学、大阪大学から成る研究グループは2022年8月31日、核融合の燃料としても注目が集まる重水素を安価に精製する技術を実証したと発表した。原子1個分の厚みしかないグラフェン膜*1で水素と重水素を分離できることを示すとともに、分離のメカニズムを解明した。

*1 グラフェン膜 炭素原子からのみなるシート状のナノ材料。炭素原子が六角形に並んだ構造をしている。
図 水素と重水素の混合ガスから重水素を濃縮分離する概念図
図 水素と重水素の混合ガスから重水素を濃縮分離する概念図
量子トンネル効果によって重水素を分離する。今回の実験を通じて、グラフェン膜が水素イオンと重水素イオンを分ける「イオンふるい」の性質を持つことが明らかになった。(出所:日本原子力研究開発機構)
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 水素の同位体である重水素は、半導体の高耐久化や光ファイバーの伝搬能力の向上、薬の効果を長くする重水素標識医薬品の開発、次世代エネルギーとして期待される核融合の実現などに欠かせない。一方で、安く重水素を製造する方法が確立されていない点が課題だった。例えば、従来手法の「深冷蒸留法」*2は-250℃といった極低温が必要な上に、分離の効率が悪い。

*2 深冷蒸留法 物質の沸点の違いを利用して分離する一般的な手法。水素と重水素が混ざった液体を加熱して一部を蒸発させると、沸騰しやすい水素がより多く蒸発し、液体中の重水素の濃度が増える。水素と重水素の沸点はそれぞれ―252.9℃と―249.4℃。

 低コスト化に向けて近年注目されていたのがグラフェンを使った分離法だ。原子1個分の厚みを持つグラフェン膜は常温で重水素よりも水素イオンを多く通す性質を持ち、水素と重水素を分ける能力が高いと示唆されていた。ただし、信頼性の高い検証例が極めて少なく、分離メカニズムの詳細も不明だった。

 そこで、研究チームは水素イオンと重水素イオンを生成するデバイスの電極にグラフェン膜を張り付け、膜を通り抜けたイオンを定量的に評価した。その結果、重水素イオンよりも水素イオンがグラフェン膜を通り抜けやすく、グラフェン膜で水素と重水素を分離できると確認した。

 さらに実験結果と理論計算との比較検証によって、分離は「量子トンネル効果」によるものと解明した。量子トンネル効果とは、軽い粒子が波動性の特徴により、エネルギーを使わずにグラフェンのようなバリアをすり抜ける現象。軽い粒子の方が多くすり抜けられるため、重水素より軽い水素イオンが多くすり抜け、水素を選択的に通す“イオンふるい”のような機能が発現する。