Grafenballoner til at identificere ædelgasser

Ny forskning udført af forskere fra Delft University of Technology og University of Duisburg-Essen bruger bevægelsen af ​​atomisk tynd grafen til at identificere ædelgasser. Disse gasser er kemisk passive og reagerer ikke med andre materialer, hvilket gør det udfordrende at opdage dem. Resultaterne er rapporteret i tidsskriftet Naturkommunikation .

Grafen er et i sidste ende tyndt materiale, der kun består af et lag af kulstofatomer. Dens atomtykkelse gør det til et perfekt filtermateriale til gasser og væsker:grafen i sig selv er ikke permeabelt, men små perforeringer gør den meget permeabel. I øvrigt, materialet er blandt de stærkeste kendte og tåler høje belastninger. Sammen, disse to egenskaber giver det perfekte grundlag for nye typer gassensorer.

Nano balloner

Forskerne bruger mikroskopiske balloner lavet af tolagsgrafen (med en tykkelse på 0,7 nm), med meget små nanopore-perforeringer med diametre ned til 25 nm, at detektere gasser. De bruger en laser til at opvarme gassen inde i ballonen og få den til at udvide sig. Den tryksatte gas slipper derefter ud gennem perforeringen. "Forestil dig en ballon, der tømmes, når du lader luften løbe ud, " siger TU Delft-forsker Irek Rosłoń, "Vi måler den tid, det tager ballonen at tømme luften ud. I så lille en skala, dette sker meget hurtigt - inden for omkring 1/100.000. af et sekund - og interessant nok, varigheden afhænger stærkt af gastypen og porernes størrelse. For eksempel helium, en let gas med høj molekylær hastighed, undslipper fem gange hurtigere end krypton, en tung og langsomt bevægende gas." Metoden gør det muligt at skelne gasser baseret på deres masse og molekylære hastighed, hvilket normalt kræver store massespektrometre.

Gaspumpning

Grafenballonerne drives kontinuerligt af en optotermisk kraft ved høje frekvenser på 100 kHz, forårsager, at gas pumpes ind og ud gennem nanoporerne meget hurtigt. Gassens gennemtrængning kan studeres ved at se på grafenens mekaniske bevægelse. Ved lave pumpefrekvenser, gassen har god tid til at undslippe og påvirker ikke grafenens bevægelse nævneværdigt. Imidlertid, membranen oplever en stor mængde modstand ved øgede pumpefrekvenser, især når pumpeperioden svarer til den typiske tid, det tager for gassen at forlade ballonen. "Ved at måle ved forskellige frekvenser, vi kan finde den top i træk. Frekvensen, ved hvilken en top observeres, svarer til gassens permeationshastighed."

Forskerne udvidede denne idé til at studere gasstrøm gennem nanokanaler. At forbinde ballonen til en lang kanal gør det meget sværere for gassen at slippe ud. Stigningen i deflationstiden giver eksperimentel indsigt i gasstrømmekanikken i nanokanalerne. Alt i alt, dette arbejde viser, hvordan grafens ekstraordinære egenskaber kan bruges til at studere gasdynamik på nanoskala, samt at konstruere nye typer sensorer og enheder. I fremtiden, dette kan muliggøre små, billige og alsidige sensorenheder til at bestemme sammensætningen af ​​gasblandinger i industrielle applikationer eller til overvågning af luftkvalitet.