摘要：深圳某OLED屏幕生产车间内，技术员正小心翼翼地添加一种透明液体原料。这种看似普通的液体，每克售价高达数千元，比黄金还要昂贵数倍——它就是氘代碱。手机屏幕的使用寿命、抗癌药物的疗效稳定性、核反应堆的运行效率，都与这类“天价”氘代物息息相关。长期以来，氘代酸、氘

深圳某OLED屏幕生产车间内，技术员正小心翼翼地添加一种透明液体原料。这种看似普通的液体，每克售价高达数千元，比黄金还要昂贵数倍——它就是氘代碱。手机屏幕的使用寿命、抗癌药物的疗效稳定性、核反应堆的运行效率，都与这类“天价”氘代物息息相关。长期以来，氘代酸、氘代碱的规模化生产受限于低效工艺与高昂成本，成为制约高端制造产业发展的瓶颈。近日，中国科学技术大学徐铜文教授、汪耀明特任教授和李震宇教授团队发表的一项成果，为这一难题提供了突破性解决方案：利用双极膜技术实现氘代酸和氘代碱的高效制备，生产成本大幅降低80%，成功破解效率与成本双重困境。

氘：氢元素的“重量级兄弟”
要理解氘代酸、氘代碱的价值，首先要从氢元素的“家族成员”说起。氢是宇宙中最轻、分布最广的元素，但它并非单一存在，而是拥有氕（piē）、氘（dāo）、氚（chuān）三种天然同位素，化学符号分别为¹H、²H、³H。这三种同位素的核心差异在于原子核内的中子数量，正是这一差异赋予了它们截然不同的物理与化学特性。
氕是氢家族的“主力成员”，原子核内仅有1个质子，不含中子，因此被称为“轻氢”。这种结构让氕具备极高的稳定性且无放射性，在自然界氢元素中占比高达99.985%。我们日常接触的水、蛋白质、糖类等物质中的氢，几乎都是氕原子。氘的原子核内包含1个质子和1个中子，质量约为氕的两倍，故得名“重氢”。它同样结构稳定且无放射性，但在自然界中含量极低，仅占氢元素总量的0.015%。氚则是“超重氢”，原子核内有1个质子和2个中子，这种结构使其极不稳定，具有放射性，半衰期约12.4年，在自然界中极其稀有，每一百亿亿个氢原子中仅有1个氚原子。
氢的同位素家族并未止步于此，目前已知最重的氢同位素为⁷H，原子核内含有6个中子，但这类同位素均为人工合成，半衰期极短，最短的仅为数万亿分之一秒，在自然界中完全不存在。在绝大多数场景下，人们提及“氢”时默认指代氕，只有在需要精准区分同位素的科研或工业领域，才会明确标注氘（D）或氚（T）。

氘代化合物：给分子穿上“稳定重甲”
当化合物中的氕原子被氘原子替换后，就形成了“氘代化合物”。最常见的例子便是水的氘代形式：普通水（H₂O）由两个氕原子和一个氧原子构成，被称为“轻水”；两个氕原子均被氘替换后成为“重水”（D₂O）；仅一个氕原子被替换则为“半重水”。类似地，氚替换后的水被称为“超重水”（T₂O），但因氚的放射性和稀有性，实际应用极少。
初高中化学知识告诉我们，同种元素的不同同位素构成的物质，物理性质存在差异，化学性质基本相同。以重水和轻水为例，重水的密度、熔点、沸点均略高于轻水，20℃时重水密度为1.1079g/cm³，轻水则为1.0g/cm³。但深入研究后会发现，氢的同位素化合物存在明显的“同位素效应”——因质量差异导致化学性质出现细微但关键的不同。氘原子核质量是氕的两倍，使得氘与氧形成的化学键（D-O键）键能比氕与氧的化学键（H-O键）更高，稳定性更强，断裂难度更大。
这种稳定性差异在实验中表现得尤为明显：相同条件下，轻水中的氢离子更易解离，使得酸在轻水中的酸性略强于重水，酸碱中和反应速率也更快；电解水实验中，轻水产生氢气的速率比重水高出约10%。这种“稳定重甲”般的特性，正是氘代化合物在高端领域不可或缺的核心原因。

氘代物的“全能舞台”：从核堆到手机屏
氘代化合物的独特理化性质，使其在多个高端领域扮演着不可替代的角色，覆盖能源、医药、电子、科研等多个领域。
在核能领域，重水是核反应堆的“核心慢化剂”。核反应中，铀原子核裂变会释放高速中子，只有将其慢化为“热中子”才能持续引发链式反应。重水因沸点高（101.4℃）、高温下化学性质稳定，不会与反应堆内的金属或混凝土发生腐蚀反应，且对中子的吸收能力弱，中子损耗低，可直接使用天然铀作为燃料。而轻水反应堆因轻水对中子吸收能力强，必须使用富集度3%-5%的低富集铀才能维持反应，燃料成本和处理难度大幅增加。瑞士小型研究型核反应堆CROCUS，便依靠重水慢化剂实现了高效稳定运行。
药物研发领域，氘代技术成为提升药效的“关键工具”。科研人员会将药物分子中易代谢的氢原子替换为氘，利用氘代键的稳定性减缓药物在体内的氧化、水解速率，延长药效持续时间，降低服药频率。同时，这种替换还能定向改变代谢路径，减少有毒代谢产物的生成。目前，多种氘代抗癌药、精神类药物已进入临床应用，以氘代紫杉醇为例，其在体内的半衰期比普通紫杉醇延长约50%，副作用发生率降低30%。
电子领域，氘代物是OLED屏幕的“寿命保障”。手机、电视等设备的OLED屏幕发光材料分子易受氧化降解，导致屏幕亮度衰减、使用寿命缩短。生产过程中加入重水、氘代酸或氘代碱作为原料，可显著提高发光材料分子的稳定性，抑制氧化降解。目前，苹果、三星等主流手机厂商的高端OLED屏幕生产中，均已采用氘代材料，使屏幕使用寿命从早期的1万小时延长至3万小时以上。
科研领域，氘代物是“精准追踪器”和“信号清除者”。核磁共振（NMR）检测中，普通氢原子会产生背景信号干扰，高纯度氘代溶剂（如氘代氯仿）可彻底消除这种干扰，让科研人员精准解析分子微观结构；生物代谢研究中，将氘代物注入生物体，通过核磁共振技术可无创追踪其在体内的分布、转化过程，清晰勾勒代谢路径。某医学研究团队利用氘代葡萄糖，成功追踪到糖尿病患者体内葡萄糖的代谢异常位点，为精准治疗提供了关键依据。
需要注意的是，氘代物的稳定性并非绝对安全。重水本身无放射性和化学毒性，但当体内重水比例超过20%-25%时，会干扰细胞内依赖氢原子的生理活动，导致遗传物质复制效率下降、酶促反应减缓、蛋白质折叠异常，引发体重下降、神经功能紊乱等症状，严重时危及生命。不过日常饮用水中重水比例仅0.015%，会被人体正常代谢，无需担心健康风险。
“天价”密码：分离氘为何比淘金还难？
氘代化合物的广泛应用与高昂价格形成鲜明对比：国际市场上，纯度99.9%的重水价格约1000美元/千克，而高纯度氘代酸、氘代碱价格可达数百至数千元每克，其中氘代十二烷酸-D23的价格高达15000元/克，是同期黄金价格的400倍以上。
天价背后是极高的制备难度。首先是原料稀缺，自然界中氘仅占氢元素的0.015%，要提纯到99.9%以上的纯度，需要从海量原料中分离；其次是分离难度大，氕与氘的物理化学性质差异微小，传统方法需通过多次蒸馏、电解或化学交换实现分离，仅电解法就需要将水反复电解数千次，能耗极高；最后是生产工艺复杂，传统制备氘代酸、氘代碱需经过多步化学反应，使用昂贵催化剂，反应条件苛刻（高温高压），后续分离提纯还需耗费大量时间和资源。这些因素叠加，使得氘代物长期处于“价高量少”的状态，严重制约了产业规模化发展。
中科大突破：双极膜撕开成本壁垒
中国科学技术大学团队研发的双极膜电渗析技术，从根本上破解了这一难题。双极膜本质是复合型离子交换膜，由阳离子交换膜、阴离子交换膜及中间的催化层紧密贴合而成，阳离子交换膜仅允许阳离子（如H⁺、D⁺）通过，阴离子交换膜仅允许阴离子（如OH⁻、OD⁻）通过。在直流电场作用下，膜中间催化层中的水分子会高效解离为氢离子和氢氧根离子，这一特性为氘代物制备提供了全新路径。
该技术的工作过程极具创新性：反应装置分为左侧酸室、中间盐室和右侧碱室，中间盐室注入硫酸钾的重水溶液，两侧分别放置双极膜和离子交换膜。通电后，在电场和催化剂作用下，重水分子在双极膜催化层中解离为氘离子（D⁺）和氘氧根离子（OD⁻）。D⁺通过阳离子交换膜进入左侧酸室，与盐室中迁移过来的硫酸根离子结合，生成氘代硫酸（D₂SO₄）；OD⁻通过阴离子交换膜进入右侧碱室，与迁移过来的钾离子结合，生成氘氧化钾（KOD）。整个过程仅需一步反应，在常温常压下即可完成。
这项技术的优势体现在多个维度：原料廉价，仅需重水和普通无机盐（如硫酸钾），无需昂贵催化剂；能耗极低，常温常压反应，能耗仅为传统电解法的1/20；产物纯度高，直接达到99.9%以上；成本低廉，整体生产成本降至传统工艺的1/5，降幅达80%；环境友好，生产过程仅消耗电能，无污染物排放。目前，该技术已完成年产3吨氘代酸碱的中试放大实验，设备运行稳定，产物纯度和产量均达到工业级标准。
安徽合肥的中试车间内，银白色的双极膜电渗析装置正平稳运行，透明的氘代硫酸和氘代碱溶液分别从两侧管道流出，注入专用储罐。技术员用检测仪读取数据后，在记录册上写下“纯度99.95%，连续运行72小时稳定”。不远处的样品展示区，小瓶中装着的氘代酸碱溶液，将很快送往OLED屏幕生产企业和制药公司。阳光透过车间窗户，照在储罐的刻度线上，映出的数字正在缓缓攀升。

来源：速看资讯室一点号