Den perfekte sigte i atomskala

Grafen er perfekt selektiv over for protoner og blokerer selv de mindste ioner som klor, Det viser forskning fra University of Manchester. Dette resultat vil være vigtigt for udviklingen af ​​grafen-baserede membraner til anvendelser lige fra brændselsceller til afsaltning.

Skriver ind Naturkommunikation , et hold ledet af Dr. Marcelo Lozada-Hidalgo og professor Andre Geim viser, at 2-D materialer som grafen og sekskantet bornitrid, også kendt som 'hvid grafen, " er uigennemtrængelige for alle ioner. Kun protoner kan transportere gennem disse krystaller, som tillader membraner med perfekt protonselektivitet.

Forskerne havde tidligere fundet ud af, at protoner let trænger gennem grafens krystalgitter. Imidlertid, det forblev uvist, om andre små ioner kunne gennembore det tætte krystalgitter i disse materialer. Nu har forskerne fundet ud af, at kun protoner kan.

Udover dets relevans for udviklingen af ​​2-D krystalmembraner, arbejdet understøtter yderligere den tidligere konklusion om, at huller i krystalgitteret ikke er nødvendige for protontransport gennem 2-D krystaller. Selve 2-D-krystallen er meget permeabel for protoner.

Lucas Mogg, en ph.d. studerende på projektet og den første forfatter til papiret sagde:"I vores eksperimenter, 2-D krystalmembranerne adskiller reservoirer, der indeholder både protoner og klorioner. Disse reservoirer er praktisk talt uendelige sammenlignet med vores 2-D krystalmembrans størrelse. Vi var meget overraskede over at se, at en et-atom-tyk barriere var nok til at stoppe alle klorioner i at krydse. Selv tykke polymermembraner, der er specielt designet til at adskille ioner, kan nogle gange ikke opnå en sådan perfekt selektivitet."

Disse resultater er relevante for teoriudviklingen inden for 2-D ioniske ledere, tilføjer Dr. Lozada-Hidalgo. "Vores resultater viser endegyldigt, at protontransport gennem de todimensionelle krystaller sker gennem deres bulk og ikke kræver defekter på atomare skala. Dette er en vigtig udvikling i vores forståelse af samspillet mellem ioner og atomisk tynde krystaller med implikationer, der strækker sig godt. ud over den nuværende undersøgelse."

Resultaterne menes også at være vigtige i udviklingen af ​​en lang række applikationer, der bruger grafen som membranmaterialer. "Vores resultater har betydning for teknologier, der bruger grafen som et membranmateriale. Protonernes hurtige protongennemtrængning gennem den uberørte 2-D krystalmasse tages typisk ikke i betragtning. Men, det kan være vigtigt for at designe og optimere disse membraner, især når der arbejdes under sure forhold, " forklarer Marcelo Lozada-Hidalgo.

Forskerne er begejstrede for de perspektiver, som dette arbejde åbner. De mener, at mange flere krystaller kunne studeres ved hjælp af en lignende tilgang. De fleste 2-D krystaller forbliver uudforskede fra dette perspektiv. Forskerne mener, at der kan findes flere uventede fænomener og nye anvendelser i disse nye materialer.