Hvor uigennemtrængeligt er den uigennemtrængelige grafen?

Nye eksperimenter udført af forskere ved University of Manchester har sat de bedste grænser endnu for uigennemtrængelighed af grafen og andre todimensionelle materialer for gasser og væsker. Arbejdet har også afsløret, at carbonpladen kan fungere som en kraftig katalysator for brintspaltning, et fund, der lover billige og rigelige katalysatorer i fremtiden.

Grafen har teoretisk set en meget høj energi til gennemtrængning af atomer og molekyler, som forhindrer gasser og væsker i at passere gennem den ved stuetemperatur. Ja, det anslås, at det ville tage længere tid end universets levetid at finde et atom, der er energisk nok til at gennembore en defektfri monolagsgrafen af ​​enhver realistisk størrelse under omgivende forhold, siger forskerne ledet af professor Sir Andre Geim. Denne hypotese understøttes af eksperimenter fra den virkelige verden udført for over et årti siden, som fandt ud af, at grafen på et atoms tykkelse var mindre permeabel for heliumatomer end en kvartsfilm på få mikrometer i tykkelse. Selvom filmen er 100, 000 tykkere end grafen, dette er stadig meget langt fra den teoretiske grænse.

Perfekt forseglede beholdere

Manchester-holdet udviklede en måleteknik, der er mange milliarder gange mere følsom over for gennemtrængende gasatomer end nogen af ​​de kendte metoder. I deres undersøgelse, rapporteret i Natur , de begyndte med at bore mikronstore brønde i monokrystaller af grafit eller bornitrid, som de dækkede med en et-atom-tyk grafenmembran. Da den øverste overflade af disse beholdere er atomisk flad, dækslet giver en perfekt lufttæt forsegling. Den eneste måde, atomer og molekyler kan komme ind i en beholder, er gennem grafenmembranen. Selve membranen er fleksibel og reagerer på mindre trykændringer inde i beholderen.

Forskerne placerede derefter beholderne i heliumgas. Hvis atomer kommer ind i eller ud af en beholder, gastrykket indeni stiger eller falder, henholdsvis, og får dækslets overflade til at bule over nogle små afstande. Holdet overvågede disse bevægelser med ångstrøm-præcision ved hjælp af et atomkraftmikroskop.

"Det nye resultat understøtter (og giver en forklaring på) nogle af de tidligere rapporter i litteraturen om grafens uventet høje katalytiske aktivitet, hvilket var særligt kontraintuitivt på grund af dens bulkforælders ekstreme træghed, grafit, " siger professor Sir Andre Geim.

Som en "en kilometer tyk væg af glas"

Fra ændringer i membranpositionen, antallet af atomer eller molekyler, der trænger gennem grafen, kan beregnes præcist. Forskerne fandt ud af, at der ikke kom mere end et par heliumatomer - hvis nogen - kom ind eller ud af deres beholder i timen. "Denne følsomhed er mere end otte til ni størrelsesordener højere end opnået i tidligere eksperimenter med grafenuigennemtrængelighed, som selv var et par størrelsesordener mere følsomme end detektionsgrænsen for moderne heliumlækagedetektorer. For at sætte dette i perspektiv, et atom-tykt kulstof er mindre permeabelt for gasser end en en kilometer tyk væg af glas, " forklarer Geim.

Helium er den mest gennemtrængende af alle gasser, på grund af dets små svagt interagerende atomer. Ikke desto mindre, forskerne besluttede at gentage deres eksperimenter med andre gasser såsom neon, nitrogen, ilt, argon, krypton, xenon og brint. Alle viste ingen permeation med samme nøjagtighed som opnået for helium, undtagen brint. I modsætning til alle de andre, det trængte relativt hurtigt gennem defektfri grafen. Dr. Pengzhan Sun, den første forfatter til Nature-avisen, kommenterede "Dette er et chokerende resultat:Et brintmolekyle er meget større end et heliumatom. Hvis sidstnævnte ikke kan passere igennem, hvordan i alverden kan større molekyler."

Buet grafen til hydrogendissociation

Holdet tilskriver den uventede brintgennemtrængning det faktum, at grafenmembraner ikke er helt flade, men har en masse krusninger på nanometerstørrelse. Disse fungerer som katalytisk aktive områder og adskiller absorberet molekylært brint til to brintatomer, en reaktion, der normalt er enormt ugunstig. Grafen krusninger favoriserer brintspaltning, i overensstemmelse med teorien. Derefter, de adsorberede brintatomer kan vende til den anden side af grafenmembranerne med en relativ lethed, svarende til permeation af protoner gennem defektfri grafen. Sidstnævnte proces var kendt før og forklaret ved, at protoner er subatomære partikler, lille nok til at presse sig gennem det tætte krystalgitter af grafen.

"Det nye resultat understøtter (og giver en forklaring på) nogle af de tidligere rapporter i litteraturen om grafens uventet høje katalytiske aktivitet, hvilket var særligt kontraintuitivt på grund af dens bulkforælders ekstreme træghed, grafit, siger Geim.

"Vores arbejde giver et grundlag for at forstå, hvorfor grafen kan fungere som en katalysator - noget, der burde stimulere yderligere forskning i at bruge materialet i sådanne applikationer i fremtiden, " Dr. Sun tilføjer. "På en måde, grafen nanoripples opfører sig som platin partikler, som også er kendt for at spalte molekylært hydrogen. Men ingen forventede dette af tilsyneladende inert grafen."