Ping-pong i atom-skala

Nye eksperimenter udført af forskere ved National Graphene Institute ved University of Manchester har kastet mere lys over gasstrømmen gennem bittesmå, kanaler på størrelse med ångstrøm med atomisk flade vægge.

Udgivet i Natur , denne nye forskning viser, at kanalerne tillader gas gennem dem med hastigheder, der er størrelsesordener hurtigere end forventet ud fra teorien. Dette vil ikke kun være vigtigt for grundlæggende undersøgelser af molekylære strømme på nanoskala, men også for applikationer som afsaltning og filtrering.

Den rapporterede unormalt høje strømning skyldes et fænomen kaldet 'spekulær overfladespredning', som tillader en gas at passere gennem kanalen, som om den slet ikke var der.

For at forstå denne effekt, forestille sig et smalt mellemrum mellem to parallelle overflader. Hvis overfladerne er ru, lyset skinnede ind i hullet er spredt tilfældigt. Det ville således tage zillioner af hop, før lyspartiklerne (fotoner) dukker op i tilfældige retninger.

Nu, hvis disse overflader er spejle, lyset behøvede kun at hoppe nogle få, før fotoner dukker op på den anden side - som om der overhovedet ikke var nogen hindring. Det førstnævnte scenarie er, hvad der normalt sker i en strøm af molekyler gennem rør, og det sidste er, hvad der blev fundet i denne undersøgelse.

Holdet var i stand til at opnå deres resultater ved at studere, hvordan heliumgas trænger gennem spaltelignende kanaler i angstrom-skala med vægge lavet af spaltede krystaller af grafit, sekskantet bornitrid (hBN) eller molybdænsulfid (MoS ₂ ). Disse materialer kan alle eksfolieres ned til en enkeltlagstykkelse og giver atomare flade overflader, der er stabile ved stuetemperatur og tryk.

Sådanne spalter i ångstrøm-skala er kun et par atomer i højden og var umulige at fremstille indtil for ganske nylig.

Dr. Radha Boya, som var en af ​​lederne af undersøgelsen sagde:"Vores eksperimenter viser, at overfladespredning af helium er meget følsom over for det atomare landskab. F.eks. helium trænger meget langsommere gennem kanaler lavet af MoS ₂ end gennem dem lavet af de to andre materialer. Dette skyldes, at dens overfladeruhed er sammenlignelig i højden med størrelsen af ​​de heliumatomer, der transporteres, og deres (de Broglie) bølgelængde."

Professor Sir Andre Geim tilføjede:"Selvom alle de brugte materialer er atommæssigt flade, nogle er fladere end andre. Heliumatomer er da som små pingpongbolde, der hopper gennem et rør, og afhængigt af om rørets overflade er ujævn eller glat, bolden kommer ud af den anden ende langsommere eller hurtigere."

Grafen er det fladeste materiale af de tre. MoS ₂ på den anden side er det så groft for heliumatomer, at de hopper tilbage tilfældigt som pingpongbolde fra en vaskebræts overflade.

Spekulær spredning kan kun forklares ved at tage højde for kvanteeffekter - dvs. gasmolekylers bølgelignende natur. Forskerne beviste dette ved at sammenligne gasstrømme af brint og dens tungere isotop deuterium.

De observerede, at brint strømmer gennem 2-D-kanalerne betydeligt hurtigere end deuterium.

Dr. Ashok Keerthi, den første forfatter af papiret sagde:"Selvom størrelsen af ​​både brint- og deuteriummolekyler er den samme, og de er kemisk nøjagtigt ens, også, de Broglie-bølgelængden af ​​brint er større sammenlignet med deuteriums. Og det er alt, hvad der er nødvendigt for at ændre spejlende refleksion fra kanalvæggene."

Arbejdet forventes at få store konsekvenser for forståelsen af ​​nanoskalasystemer. Meget af den nuværende forståelse kommer fra klassisk Newtonsk teori, men eksperimenterne beviser, at - selv under omgivende forhold - nogle fænomener i nanoskala involverer i sig selv kvanteeffekter og kan ikke forklares uden at tage højde for, at atomer også opfører sig som bølger.

Manchester-teamet søger nu at undersøge størrelse-selektiv separation af gasser ved hjælp af endnu tyndere kanaler, som kunne give anvendelse i gasseparationsteknologier.