Controlling Hydrogen Isotope Retention at Helium Cavities through Radiation-Induced Segregation in Fusion Steels
University of Michigan（密歇根大学）；Wuhan University（武汉大学）；Oak Ridge National Laboratory（橡树岭国家实验室）
本研究通过实验和计算揭示辐照诱导的Cr和Ta偏析至氦泡表面，增强氢同位素结合能并提高迁移势垒，从而增加滞留，为聚变钢中控制氚库存提供合金设计策略。
2026-09-09 cond-mat.mtrl-sci
Ferroelectricity and isotope effects in hydrogen-bonded KDP crystals
基于第一性原理对氢键KDP的能量学的精确描述，我们首次研究了核量子效应和氘代反应所带来的变化。也允许涉及重离子的簇隧穿，氘化的主要影响是耗尽O-H-O桥中心的质子概率密度，这反过来又削弱了其质子介导的共价键。随之而来的晶格膨胀与质子偏心自洽耦合，从而解释了巨同位素效应及其与几何效应的密切联系。
2002-06-03 cond-mat.mtrl-sci
Sieving hydrogen isotopes through two dimensional crystals
单原子厚的晶体对原子和分子是不可渗透的，但氢离子（热质子）可以穿透它们。我们表明，石墨烯和氮化硼的单层可用于分离氢离子同位素。采用电测量和质谱，我们发现，氘核渗透通过这些晶体比质子慢得多，在室温下的分离因子约为10。同位素效应归因于入射质子和氘核的零点能量之间约60 meV的差异，其转化为由二维晶体构成的激活势垒的等效差异。除了提供对质子传输机制的深入了解外，所展示的方法还为氢同位素富集提供了一种具有竞争力和可扩展的方法。
2016-01-02 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci nucl-ex
The effect of multi-occupancy traps on the diffusion and retention of multiple hydrogen isotopes in irradiated tungsten and vanadium
UK Atomic Energy Authority（英国原子能管理局）；Department of Materials, University of Oxford（牛津大学材料系）
本文提出了一种多占据陷阱模型，用于研究氢同位素在辐照钼和钒中的扩散与滞留行为，并通过实验验证了该模型的适用性。
2025-11-27 cond-mat.mtrl-sci
Ab initio simulations of the kinetic properties of the hydrogen monomer on graphene
氢（同位素）原子吸附在石墨烯上的动力学性质的理解在许多领域都是重要的。采用密度泛函理论、密度泛函微扰理论和简谐过渡态理论相结合的方法，对氢同位素（H、D和T）单体的动力学性质进行了模拟.讨论了氢化石墨烯的磁性和芳香$π$键在氢单体脱附和扩散过程中的动力学变化。的振动零点能校正的活化能被认为是显着的，范围从0.072至0.205 eV。在较宽的温度范围内，将量子力学修正的简谐过渡态理论与经典极限简谐过渡态理论的结果进行了比较.氢化石墨烯的声子谱被用来解释氢单体的前因子、活化能和跳跃频率中的（反向）同位素效应。在退火10分钟和以恒定速率（1.0 K/s）加热的条件下模拟氢同位素单体的动力学性质。观察到同位素效应;即，较低质量的氢单体被解吸并且更容易扩散（具有较低的活化能）。本文给出的结果与其他报道的实验观察结果非常相似。对氢单体的动力学性质和许多其他隐含机制的研究提供了对氢和石墨烯之间相互作用的更好理解。
2010-11-18 cond-mat.mtrl-sci
Isotope quantum effects in the metallization transition in liquid hydrogen
凝聚态物质中的量子效应通常只发生在低温下。在这里，我们显示了一个大的量子效应在高压液氢在数千开尔文。我们表明，在氢的金属化过渡是受到一个非常大的同位素效应，发生数百度低于相当于过渡氘。我们研究了这一点，使用路径积分分子动力学模拟，确定了液-液过渡涉及雾化，金属化，粘度，比热和压缩性的变化。H $_2$和D $_2$之间的差异是量子力学效应，其可能与H $_2$中的较大零点能削弱共价键有关。我们的研究结果意味着，氘的实验结果必须得到纠正，才能在行星条件下理解氢。
2021-05-12 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph quant-ph
Scalable and efficient separation of hydrogen isotopes using graphene-based electrochemical pumping
每年处理数千吨同位素混合物，用于重水生产和氚净化。现有技术仍然是能源密集型的，需要大量的资本投资。需要新的方法来减少该行业的足迹。最近，微米大小的石墨烯晶体被证明可以作为通过石墨烯电化学泵送氢同位素的有效筛。在这里，我们报告了一个完全可扩展的方法，使用石墨烯获得的化学气相沉积，它允许质子-氘分离因子约。8，尽管有裂缝和缺陷。预计能源消耗将比现有技术小几个数量级。基于30 m2石墨烯的膜，一个容易获得的量，可以提供与现代工厂相当的重水输出。甚至更高的效率，预计氚分离。由于扩大规模没有根本障碍，该技术的简单性、效率和绿色证书要求核工业和相关工业考虑。
2017-05-17 cond-mat.mtrl-sci
Hydrogen Isotope Trapping in Al-Cu Binary Alloys
研究了Al-XCu（0.0at. % <X <3.5原子%）使用热脱附光谱（TDS）、电导率和差示扫描量热法研究合金。用恒定升温速率TDS测定了微结构陷阱能和占位率。除了文献中报道的纯Al中的捕获状态（间隙晶格位点、位错和空位）之外，还观察到由于Al-Cu金属间化合物沉淀物引起的捕获位点。该沉淀陷阱的结合能为（$18\pm3$）kJ $\cdot$ mol $^{-1}$（$0.19 \pm 0.03$ eV）。该阱的典型占有率高;对于Al-2.6at. %在200 ° C下用130 MPa D $_2$充入Cu（Cu组成与AA 2219中的相当）68天后，存在约0.5%的Cu（Cu组成与AA 2219中的相当）。每摩尔Al有$3.15\times10^{-7}$摩尔D结合到沉淀物捕集器上，占带电样品中D的三分之一。
2016-01-10 cond-mat.mtrl-sci
Hydrogen isotope separation using graphene-based membranes in liquid water
氢同位素分离已有效地实现使用气态H2/D2过滤通过石墨烯/Nafion复合膜。然而，氘核在自然界中几乎不以气态D2的形式存在，而是存在于液态水中。因此，从水中分离和富集氘是一种较为可行的方法。在此，我们成功地将单层石墨烯转移到刚性和多孔聚合物基底PITEM（聚酰亚胺跟踪膜）上，这可以避免Nafion基底的溶胀问题，以及保持石墨烯的完整性。同时，CVD石墨烯的大面积缺陷可以通过界面聚合成功修复，从而获得高的分离因子。此外，基于动力学同位素效应（KIE），提出了一种新的质子在单层石墨烯中传输机制的模型。在该模型中，石墨烯通过完全破坏O-H/O-D键，在H/D分离过程中发挥重要作用，使KIE最大化，从而促进H/D分离性能。这项工作提出了一个有前途的应用，使用单层石墨烯在工业中，并提出了一个明显的理解质子输运石墨烯
2022-12-26 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Hybrid path integral Monte Carlo simulation of rigid diatomic molecules: effect of quantized rotations on the selectivity of hydrogen isotopes in carbon nanotubes
本文提出了一种多时间步算法，用于刚性线性转子的混合路径积分蒙特卡罗模拟。我们展示了如何计算所需的量子扭矩的模拟旋转密度矩阵，我们开发了一个近似的表达式，适用于异质结分子的情况下。我们用这种方法研究了转动量子化对碳纳米管量子筛分性质的影响，特别是在20 K下对-T2/对-H2的选择性。我们展示了如何经典地处理氢分子的一些自由度，并且我们发现，在零压力的极限下，旋转自由度的量子化性质极大地影响了选择性，特别是在（3，6）纳米管的情况下，这是我们所研究的最重要的管。我们还利用路径积分蒙特卡罗模拟计算了有限压力下不同氢同位素在碳纳米管内部的吸附等温线和相应的选择性。结果表明，选择性随压力的增大而增大，在饱和时趋于一个恒定值。我们使用一个简化的有效谐振子模型来讨论这种行为的起源。
2007-03-12 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
The isotope-effect in the phase transition of KDP: New insights from ab initio path-integral simulations
研究了顺电相磷酸二氢钾（KDP）晶体中质子化和氘代同位素在对称低垒氢键中的量子力学定域。这些氢原子的空间密度分布被怀疑是负责的铁电相变在KDP中观察到的令人惊讶的大同位素效应。我们采用从头算路径积分分子动力学模拟计算了质子和氘的核实空间和动量空间密度n（R）和n（k），并与中子康普顿散射实验数据进行了比较。我们的研究结果表明，在KDP的顺电相的性质的两种同位素之间的质的差异。我们能够区分真正的量子离域和振动辅助跳跃，从而提供了两种不同的机制，在这类材料的铁电相变的证据。
2010-02-07 cond-mat.mtrl-sci
Steering and isotope effects in the dissociative adsorption of H_2/Pd(100)
氢与许多过渡金属表面的相互作用的特征在于活化与非活化吸附路径的共存，具有宽的势垒高度分布。通过对H_2/Pd（100）体系进行六维量子动力学和经典分子动力学计算，我们发现势能面的这些特征导致了解离吸附动力学中强的导向效应。吸附动力学只显示了一个小的同位素效应，这是纯粹由于氢的量子性质。
1996-09-25 cond-mat.mtrl-sci mtrl-th
Permeation behaviour of hydrogen isotopes in molten FLiBe (2LiF-BeF2): Identifying sources of uncertainty and associated measurement challenges
Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）；Commonwealth Fusion Systems（联邦聚变系统）
研究通过HYPERION设施系统调查，量化氢同位素在FLiBe中的渗透性，揭示渗透行为的不确定性来源及测量挑战，提出盐侧充电方法以解决渗透障碍问题。
2026-03-30 cond-mat.mtrl-sci physics.plasm-ph
Hybrid Simulation between Molecular Dynamics and Binary Collision Approximation Codes for Hydrogen injection onto Carbon Materials
采用改进的Brenner反应经验键级（REBO）势的分子动力学（MD）模拟是研究核聚变装置偏滤器板上等离子体壁相互作用的有力工具。然而，MD模拟盒的尺寸小于几个纳米的计算机的性能。为了扩展MD模拟的规模，我们开发了一个混合的模拟代码之间的MD代码使用REBO势和二进制碰撞近似（BCA）代码。使用BCA代码代替计算MD模拟中每一步的所有具有高动能的粒子，节省了相当多的计算时间。通过对氢原子注入石墨的模拟实验，发现该混合模拟程序在大型模拟箱中也能有效地工作。
2010-06-25 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Anisotropy and Isotope Effect in Superconducting Solid Hydrogen
本研究通过Eliashberg理论分析固态氢各候选相的超导各向异性与同位素效应，发现非谐性对同位素效应的影响因相而异，并确认C2/c-24相为实验主要候选相。
2023-07-06 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.supr-con
When chemical potential continuity fails: kinetic interface models for hydrogen isotope transport
Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）
针对金属/熔盐界面化学势连续性假设失效问题，提出基于可逆反应通道的动力学界面模型，在festim中实现，可泛化LTE，在镍/FLiBe体系中能更准确预测氢同位素输运的渗透通量与压力指数。
2026-08-28 cond-mat.mtrl-sci math-ph math.MP
Capturing Nuclear Quantum Effects in Hydrogen Diffusion through MoS2 via Machine-Learning-Enhanced Path-Integral Simulations
Centrum for Advanced Systems Understanding, CASUS（高级系统理解中心）；Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf（德累斯顿-罗斯多夫亥姆霍兹中心）；Koc Üniversitesi（科奇大学）
本研究利用机器学习增强的路径积分模拟，结合r2SCAN+rVV10密度泛函理论数据训练的原子间势，研究了MoS2中氢和氘的扩散，揭示了核量子效应显著降低自由能垒、增强扩散系数，并表现出明显的动力学同位素效应。
2026-08-26 cond-mat.mtrl-sci
Effect of quantum nuclear motion on hydrogen bonding
这项工作考虑了氢键复合物的性质，D-H…被共享质子的量子运动所改变。利用一个简单的双非绝热态模型哈密顿量，对施主（D）和受主（A）具有相同质子亲合势的对称情况进行了分析。对于定量比较，一个特定的O-H参数化......使用O络合物。该模型的一维基态绝热势的振动能级用于与大量凝聚相数据进行定量比较，跨越约2.4-3.0 A的供体-受体分离（R）范围，即，从强键到弱键质子的位置和它的纵向振动频率，以及在两者中的同位素效应进行了讨论。二次几何同位素效应的分析，使用一个简单的扩展的两态模型，产生一个改进的协议的预测变化与R的频率同位素效应。的弯曲模式的作用也被认为是：它们的量子效应的竞争与拉伸模式的氢键强度的某些范围。尽管在所使用的模型的参数化的经济，它提供了关键的见解H-键的定义功能，并半定量地捕捉几个实验趋势。
2014-04-22 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Tritium Separation from Gaseous 1,2,3H Isotopologue Mixtures by Selective Adsorption on Ag-Exchanged Zeolite Type Y
本文利用Ag(I)交换Y型沸石的选择性吸附与TDS实验，首次从等摩尔三元氢同位素混合物中实现70%氚富集，并验证T2分离预测。
2025-10-01 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Resolving isotope splitting of boron-related intracenter transitions in diamond by infrared absorption spectroscopy
同位素富集提供了材料的尖端特性，开辟了令人兴奋的研究和开发机会。在半导体中，随着高水平的同位素纯化，在生长和掺杂技术的最终控制方面取得了进展。这就需要深入了解同位素无序效应及其有效测定技术。晶格和杂质中心的同位素含量引起的效应，这可以通过不同的光学技术来检查。虽然可以通过非弹性光散射或SIMS测量直接评估主体晶格中的无序，但确定许多数量级较少的杂质的同位素贡献仍然具有挑战性，并且通常在高分辨率光致发光或光学吸收光谱中观察到。掺硼金刚石具有复杂的红外吸收光谱，但未观察到与硼有关的发光。作为在元素半导体中充当类氢掺杂剂的最轻元素，硼在其同位素质量方面具有最大的相对差异，并且由此在包括金刚石的半导体中引起最大的同位素无序，金刚石是具有主晶格的最轻原子质量的元素半导体。这使得能够通过红外吸收光谱法获得金刚石中硼的同位素组成。通过比较天然（20%的10B和80%的11B同位素）和11B富集（高达99%）掺杂金刚石的低温吸收光谱，我们区分了与10B和11B同位素相关的中心内跃迁。我们发现，同一个硼心内跃迁的同位素谱线在能量约为0.7 meV处分离。这是在掺杂类氢杂质中心的半导体中观察到的最大杂质同位素位移。
2019-11-26 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
The thermodynamic and kinetic properties of hydrogen dimers on graphene
氢原子在石墨烯表面吸附的热力学和动力学性质对基于氢化石墨烯的材料和器件具有重要意义。在本报告中考虑了石墨烯上的氢二聚体，其覆盖范围为0.040至0.111 ML（1.0 ML $= 3.8\times10^{15}$ cm $^{-2}$）。通过从头算模拟研究了H、D和T二聚体的热力学和动力学性质。振动零点能校正被认为是不可忽略的动力学，从0.038（0.028，0.017）到0.257（0.187，0.157）eV的H（D，T）二聚体。同位素效应表现为氢二聚体的动力学迁移率随氢质量的增加而降低。以$α= 1.0$ K/s为升温速率的模拟热脱附谱与实验测量结果相当接近。详细分析了氢二聚体之间的相互作用对其热力学和动力学性质的影响。
2010-11-15 cond-mat.mtrl-sci
Hydrogen Dynamics in Superprotonic CsHSO4
本文采用第一性原理分子动力学模拟对超质子导体CsHSO_4中的质子动力学进行了详细的研究，分离出O--H化学键、O--H键和超质子导体CsHSO_4之间的相互作用。H氢键和SO 4四面体促进质子扩散。我们发现，质子运输的Grotthus机制主要负责化学键的动力学，而氢键网络的重组主要是由快速的角度跳跃与小的重新取向的SO 4四面体。频繁的质子跃迁穿过O-H O络合物是由一个高的跳跃逆转率，我们表明，这是连接到动力学的SO 4四面体，导致减少CsHSO 4/CsDSO 4同位素效应。我们还发现了多个时间尺度的SO 4重取向事件的证据，导致不同的扩散机制沿不同的晶格方向。最后，我们采用图论技术来表征氢键网络的拓扑结构，并证明了一定的连接配置和扩散跳跃事件的可能性之间的明确关系。
2007-02-25 cond-mat.mtrl-sci
Quantum path integral simulation of isotope effects in the melting temperature of ice Ih
本文用统计力学的路径积分公式计算了冰的熔化温度Ih的同位素效应。同位素之间的自由能差异与它们的动能对同位素质量的依赖性有关。通过使用q-TIP 4P/F模型进行水模拟，该模型是一种点电荷经验势，其包括水分子的OH伸缩中的分子柔性和非谐性。该模型在常压下的熔化温度（T = 251 K），在氘和氚同位素取代氢后分别提高了6.5 ± 0.5K和8.2 ± 0.5K。这些温度变化大于实验值（分别为3.8 K和4.5 K）。在经典极限下，熔化温度与氚化冰的熔化温度几乎相同。这种出乎意料的行为是合理的分子间相互作用和分子的灵活性之间的耦合。这种耦合使得OH伸缩模的动能在液相中比在固相中大。然而，相反的行为被发现的分子内模式，显示更大的动能在冰比在液态水。
2011-08-18 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Isotope effects in ice Ih: A path-integral simulation
采用柔性水的有效q-TIP 4P/F势模型，通过路径积分分子动力学模拟对冰Ih进行了研究.这使我们能够分析有限温度量子效应在这个固相从25至300 K在环境压力下。在这些效应中，我们发现了冰在低温下的负热膨胀，这在经典的分子动力学模拟中没有出现。由体积涨落导出的压缩系数给出了与实验数据相符的结果。我们分析了同位素效应在冰Ih考虑正常，重，氚化水。特别地，我们研究了改变氢的同位素质量对晶体中的动能和原子离域的影响，以及对原子间距离和摩尔体积等结构性质的影响。对于D $_2$ O冰Ih在100 K，我们得到的摩尔体积和分子内的O-H距离的减少分别为0.6%和0.4%，相比H $_2$ O冰。
2011-08-09 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Retention and Recycling of Deuterium in Liquid Lithium-Tin Slab Studied by First-Principles Molecular Dynamics
了解氢同位素在液态金属等离子体面对材料（如液态Li，Sn和Li-Sn）中的保留和再循环对于设计磁约束聚变反应堆至关重要。本文采用第一性原理分子动力学方法模拟了含D原子的液态锂-锡合金板片，从微观上研究了D原子与液态锂-锡金属的相互作用。我们观察到D $_2$和LiD分子从Li-Sn板中蒸发出来。通过详细的分析，我们揭示了在液态Li-Sn中形成D $_2$分子的一个协同过程，其中Li原子作为催化中心捕获一个D原子，然后另一个D原子靠近形成分子，多余的电荷从D $_2$转移到附近的Sn原子。此外，我们预测了一个温度窗口，其中D $_2$分子可以逃逸到真空，而LiD分子不能。上述结果加深了我们对氢同位素与锂锡液态金属相互作用的理解。
2020-09-26 cond-mat.mtrl-sci
Quantum Tunneling Enhanced Hydrogen Desorption from Graphene Surface: Atomic versus Molecular Mechanism
该研究通过第一性原理计算揭示量子隧穿对石墨烯表面氢同位素脱附的增强作用，并比较分子与原子脱附路径，确定邻位二聚体主导机制随温度转变的临界值。
2025-02-17 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
