分子篩跟一般的濾紙一樣，只允許尺寸比孔隙大的固態顆粒通過。然而分子篩具備精確單一尺寸的分子級微小孔洞，只允許尺寸小至分子等級的物質通過，因而可用於過濾氣體或液體分子。
石墨烯(graphene)的發現者，Sir Andre Geim最近展示了由石墨烯所製成的半透膜(membrane)，可以從氘（Deuterium, D，比氫多一個中子的同位素，又稱為重氫）裡面將只有一個質子的氫原子「篩」出來。由於氘原子與氫原子的尺寸差異很小，因此石墨烯就成了如假包換的「原子篩」。這個研究成果意味著有朝一日科學家們或許可以僅十分之一的能源、更簡單的製程以及更低廉的價格產生核能電廠需要的大量重水(D2O)。當然，這技術令人擔憂的副作用可能是以氘與氚(Tritium, T)製做氫彈會變得比以往更容易。
氘是一種被廣泛使用的氫同位素，在分析與化學追蹤技術上尤其重要。此外，核能電廠的運作也需要數千噸由氘與氧組成的重水作為熱中子的減速劑。而最重的氫同位素氚是核電廠運作時核分裂的產物，具有放射性而需要安全的被移除。至於未來的核融核發電廠，則是將兩個較重的氫同位素融合在一起而產生龐大能量。由此可知，氫同位素雖然稀有，卻是今日科技發展不可或缺的元素。
生產重水的第一步是先透過電解及蒸餾法從海水裡分離出半重水（HDO，氫-氘-氧化合物。地球上的水大約有 1/3200是HDO），或以化學方法從普通水中提煉出來。當水中的半重水的濃度提高到了相當的程度，重水便會因為HDO分子之間交換氫原子而慢慢出現(HDO + HDO → H2O + D2O)。要從半重水再提煉高純度重水同樣要使用電解、蒸餾及化學方法。一般而言這些方法所需要的能量會非常巨大，因此顯然還有一堆科學、工業甚至環境的問題需要解決。可見核能電廠的運作所需數千噸的重水超乎想像的昂貴。至於氘的製造，則須用重水電解或由液態氫低溫蒸鎦，一樣是天價。
現在，石墨烯或可改變這個現況！研究人員測試氘原子核是否可以通過石墨烯與氮化硼（boron nitride, BN，一種晶體結構與石墨烯完全一樣，但是碳原子被氮與硼原子置換的二維材料）的原子級網狀結構。起初研究人員預期氫與氘原子核都可以輕鬆的穿過石墨烯與氮化硼，畢竟傳統理論並不預測同位素在過濾時會有什麼不同，就算不同也僅有些微的差異。然而他們驚訝的發現氘原子核不但可以有效的被這些二維半透膜濾掉，過濾的效率也出奇的高。換句話說，石墨烯與氮化硼可以用來濾掉氫以提高氘與氚混合物的濃度。此外，研究人員也證實這種過濾設備可以完全放大至產業規模。由於公分尺寸以上的大面積石墨烯與氮化硼可以用化學氣相沉積法(chemical vapor deposition, CVD)大量合成，因此大量且便宜的把氘與氚從氫氣裡分離出來就成為可能。而這種技術最吸引人的應用或許不是核能發電或是核武器的製造，而是有助於核廢料的清理。重水雖然對人體是無毒的，但由於核電廠的重水含有部分的放射性氚，因此不能任意排放，也很難再利用。因此可以從重水有效大量過濾氚顯然是極具應用價值的。
這是人類有史以來第一次有能力用過篩的方法過濾次原子級尺寸的物質，也是第一次可以在原子尺度清理核廢棄物。相關研究被發表在2016年元旦發行的Science期刊上，石墨烯研究在2016年的第一天有了一個好的開始。
責任編輯：莊鎮宇
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M. Lozada-Hidalgo, et al., Science 351, 68(2016)
DOI: 10.1126/science.aac9726
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