膜是薄的物理屏障，允许某些物种的运输，同时限制其他物种。原子级薄的二维 (2D) 材料是结晶固体，其组成原子键合在平面2D片中，为实现允许亚原子物质选择性传输的超薄膜提供了机会。单层石墨烯（碳原子的蜂窝状网格）和六方氮化硼（h-BN，交替的B和N 原子的蜂窝状网格）的原始晶格对氦等小原子是不可渗透的（在室温下），但允许电子传输并允许热质子及其同位素传输。美国范德堡大学Piran R. Kidambi教授讨论了选择性亚原子物种通过原子薄膜传输的进展，及其在能量存储和转换、同位素分离、原位电子显微镜和光谱学以及未来电子应用方面的变革性进展的潜力，概述了这些应用的技术挑战和机遇，并讨论了在开始商业化的成像和光谱学中的早期应用。研究表明，H+/D+的同位素分离由于与现有技术相比，在能源消耗方面有大幅降低的潜力，因此最有可能实现快速发展和商业化，而且这些方法也可能被探索用于氚净化工作。考虑到商业化生产大面积CVD石墨烯和 h-BN的工艺开始成熟，并且使用热压、层压和聚合物浇注的简单膜制造已经得到证明，这些颠覆性创新很可能会在核工业中部署不远的将来。预计在未来5到10年内，将二维材料结合到用于液流电池、燃料电池和质子泵的质子交换膜中将变得可行，规模化生产提供规模经济。需要进一步的研究来为这些应用中的每一个提供信息和指导技术进步，包括现实条件下的长期耐久性研究，以评估材料性能、设备集成方法和实际应用的膜制造工艺。相关研究成果以“Subatomic species transport through atomically thin membranes: Present and future applications”为题在线发表在Science。