同位素在20月初發(fā)現(xiàn)個世紀開創(chuàng)了物理學史上的關鍵時刻，并導致更加精細理解原子核的。同位素是元素周期表中給定元素的“版本”，它們具有相同數(shù)量的質(zhì)子但具有不同數(shù)量的中子，因此質(zhì)量不同。這些質(zhì)量差異可以從根本上改變原子的某些物理特性，例如它們的放射性衰變率、它們在核裂變反應堆中可能的反應途徑等等。
雖然一種元素的大多數(shù)同位素具有相似的化學性質(zhì)，但有一個值得注意的例外：氫同位素。地球上的大多數(shù)氫原子只含有一個質(zhì)子和一個電子，但也存在氫同位素，其中也有一個中子(氘)或兩個中子(氚)。氘的重量基本上是“正常”氫的兩倍，已發(fā)現(xiàn)許多實際和科學用途。例如，它可用于標記和跟蹤蛋白質(zhì)等分子以研究生化過程。它還可以戰(zhàn)略性地用于藥物中，以降低其代謝率并增加其在體內(nèi)的半衰期。
氘的另一個重要應用存在于半導體電子領域。硅基半導體的表面必須用氫“鈍化”，以確保硅原子不會輕易脫落(解吸)，從而提高微芯片、電池和太陽能電池的耐用性。然而，通過仍未完全了解的機制，用氘代替氫鈍化導致解吸概率降低約一百倍，這意味著氘可能很快成為電子設備中不可或缺的成分。不幸的是，氘的采購和用它來豐富硅表面的可用技術都非常低能效或需要非常昂貴的氘氣。
幸運的是，在名古屋市立大學 (NCU)，由 Takahiro Matsumoto 教授領導的一組科學家發(fā)現(xiàn)了一種使用稀氘溶液富集硅表面的節(jié)能策略。這項發(fā)表在《物理評論材料》上的研究是與原子能廳的大原隆博士和京都大學的金光義彥博士合作進行的。
研究人員發(fā)現(xiàn)，在納米晶硅(n-Si)的表面上會發(fā)生一種從氫到氘的特殊交換反應。他們使用非彈性中子散射在浸沒在含氘溶液中的 n-Si 薄膜中證明了這種反應。這種光譜技術涉及將中子照射到樣品上并分析由此產(chǎn)生的原子運動或晶體振動。這些實驗與其他基于量子力學的光譜方法和能量計算相結合，揭示了有利于用氘替換 n-Si 表面上的氫終端的潛在機制：交換過程與表面振動模式的差異密切相關在氫和氘封端的 n-Si 之間。“在液相中進行的實驗中，我們實現(xiàn)了 n-Si 表面氘原子濃度的四倍增加，”松本博士強調(diào)說，“我們還提出了 n-Si 的氣相富集方案，根據(jù)我們的理論計算，可使氘富集率提高15倍。”
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