通过量子筛选作用，利用应变诱导的纳米孔几何结构变化来增强氢同位素的分离效果

《Physical Chemistry Chemical Physics》：Strain-induced geometric modulation of nanopores for enhanced hydrogen isotopologue separation via quantum sieving

氢同位素分离通过应变工程调控纳米孔几何结构实现量子效应增强。研究发现，沿臂chair方向应变14-18%的氮掺杂石墨烯（N-GY）形成准圆形纳米孔，显著提升D2/H2、DT/H2等多对同位素分离效率，而氮掺杂石墨炔（N-GDY）需特定 zig-zag 方向应变3.5%才能实现选择性筛分。差异源于应变诱导的纳米孔几何形变对量子隧穿与零点能协同作用的调控。

　　

在光同位素分离中利用量子效应是同位素纯化技术的一项开创性进展。本研究采用第一性原理计算方法，探讨了通过应变工程制造的纳米孔实现氢同位素分离的机制，强调这些纳米孔的几何结构通过量子隧穿效应与零点能（ZPE）效应之间的复杂相互作用，对分离效率起着关键性作用。我们发现，对碳氮化物膜（特别是N-石墨炔（r-N-GY）和N-石墨二炔（r-N-GDY）施加定向应变后，会形成具有不同几何结构的纳米孔，从而显著提高分离效率。经过应变的r-N-GY膜在扶手椅（AC）方向上（应变范围为14–18%）能够达到工业级的分离性能，有效分离多种氢同位素对（D₂/H₂、DT/H₂、T₂/HD等）。相比之下，经过应变的r-N-GDY膜虽然具有狭缝状纳米孔，但其选择性仅在沿之字形方向施加3.5%应变时才表现出显著效果。这种差异源于应变引起的几何变化：AC方向应变使r-N-GY膜形成准圆形纳米孔，从而增强了ZPE效应，提高了同位素的选择性。这些发现表明，几何结构调控是量子筛分材料设计的关键原则，并推动了用于同位素分离的应变工程膜技术的发展。本研究不仅提供了关于量子驱动分离机制的理论见解，还为开发高性能同位素纯化系统提供了实用指导。