Deuterium diffundiert schneller als Wasserstoff

Experimente bestätigen eine Theorie, wonach schwerer Wasserstoff bei tiefen Temperaturen schneller durch feinporige molekulare Siebe kommt.

Da das Deuterium eine doppelt so große molekulare Masse hat wie normaler Wasserstoff, bewegen sich die D₂-Moleküle im thermischen Gleichgewicht langsamer als die H₂-Moleküle. Das kann man ausnutzen, um die beiden Isotope durch thermische Diffusion voneinander zu trennen. Man würde deshalb erwarten, dass die „trägeren“ D₂-Moleküle langsamer durch feinporige molekulare Siebe diffundieren als die H₂-Moleküle. Doch jetzt haben Experimente am Institut Laue-Langevin (ILL) eine überraschende theoretische Vorhersage bestätigt: Bei tiefen Temperaturen diffundiert Deuterium erheblich schneller durch ein molekulares Sieb als normaler Wasserstoff.

Suresh Bhatia von der University of Queensland in Australien und seine Kollegen haben mit Hilfe von Neutronenstreuung untersucht, wie normaler Wasserstoff und Deuterium durch ein molekulares Sieb aus Kohlenstoff diffundieren. Das kommerziell erhältliche Material hatte Porendurchmesser von weniger als 1 nm. Eine Probe des porösen Materials, die gasförmiges H₂ oder D₂ in einer geringen Konzentration von 0,5 mmol/g aufgenommen hatte, wurde bei tiefen Temperaturen zwischen 30 K und 120 K mit Neutronen bestrahlt. Die gestreuten Neutronen wurden dann mit dem Flugzeitspektrometer IN6 am ILL analysiert.

Die Diffusionsbewegung der Wasserstoff- oder Deuteriummoleküle in den Hohlräumen des molekularen Siebes führte dazu, dass der ursprünglich monochromatische Neutronenstrahl nach seiner Streuung an den Molekülen eine verbreiterte Energieverteilung hatte. Der Theorie zufolge ist die Breite der Verteilung der jeweiligen Diffusionskonstanten proportional. Die Messungen hatten ein überraschendes Resultat. Während bei Temperaturen oberhalb von 100 K der normale Wasserstoff schneller diffundierte, hatte bei tieferen Temperaturen eindeutig das Deuterium die Nase vorn. Bei 30 K war seine Diffusionskonstante etwa dreimal so groß wie die von normalem Wasserstoff.

Die Ergebnisse stimmten hervorragend mit den Vorhersagen einer Theorie überein, die Suresh Bhatia und Anil Kumar vor fünf Jahren aufgestellt hatten. Demnach spielen Quanteneffekte beim Durchgang der Moleküle durch die winzigen Poren des Siebes eine wichtige Rolle. Je enger eine Pore ist, umso höher ist die Potentialschwelle, die ein Molekül beim Durchgang überwinden muss. Beschreibt man die Bewegung der Moleküle mit den Gesetzen der klassischen Physik, so sollten sich Deuterium- und Wasserstoffmoleküle beim Passieren einer Pore gleich verhalten und deshalb auch gleich schnell durch das Sieb diffundieren.

Der Quantenphysik zufolge besitzen die Moleküle eine thermische de Broglie-Wellenlänge, die sehr klein ist aber mit abnehmender Temperatur größer wird. Bei einer bestimmten Temperatur ist die thermische de Broglie-Wellenlänge so groß wie der Durchmesser der kleinsten Poren im Sieb, die ein Molekül mit seiner thermischen Energie noch passieren kann. Beim Passieren dieser Poren kommt nun die Quantenphysik ins Spiel.

Wegen seiner geringeren Masse hat das H₂-Molekül eine etwas größere thermische de Broglie-Wellenlänge als das D₂-Molekül. Nach den Berechnungen von Kumar und Bhatia führt dies dazu, dass das H₂-Molekül eine höhere effektive Potentialschwelle beim Durchgang durch eine Pore spürt als das D₂-Molekül. Deshalb kommen die Wasserstoffmoleküle für hinreichend tiefe Temperaturen bei ihrer Diffusion langsamer voran als die Deuteriummoleküle. Auf diese Weise könnte man mit molekularen Sieben zumindest Isotope des Wasserstoffs voneinander trennen.

RAINER SCHARF

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  T. X. Nguyen et al.: Microscopic Observation of Kinetic Molecular Sieving of Hydrogen Isotopes in a Nanoporous Material. Phys. Rev. Lett. 105, 085901 (2010)
  dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.105.085901
• Gruppe von Suresh Bhatia an der University of Queensland in Australien:
  www.cheque.uq.edu.au/research/adsorption/Bhatia-Group/

Weitere Literatur:

• A.V. Anil Kumar and Suresh K. Bhatia: Quantum Effect Induced Reverse Kinetic Molecular Sieving in Microporous Materials. Phys. Rev. Lett. 95, 245901(2005)
  dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.95.245901
• A.V. Anil Kumar and Suresh K. Bhatia: Erratum: Quantum Effect Induced Reverse Kinetic Molecular Sieving in Microporous Materials. Phys. Rev. Lett. 96, 119901(E) (2006)

dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.96.119901

• Hervé Jobic and Doros N. Theodorou: Quasi-elastic neutron scattering and molecular dynamics simulation as complementary techniques for studying diffusion in zeolites. Microporous Mesoporous Mater. 102, 21 (2007)
  dx.doi.org/10.1016/j.micromeso.2006.12.034

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