Ultrahurtig gas strømmer gennem de mindste huller i 2D-membraner

Forskere fra National Graphene Institute ved University of Manchester og University of Pennsylvania har identificeret ultrahurtige gasstrømme gennem de mindste huller i et-atom-tynde membraner, i en undersøgelse offentliggjort i Videnskabens fremskridt .

Arbejdet - sammen med en anden undersøgelse fra Penn om skabelsen af ​​sådanne nanoporøse membraner - lover mange anvendelsesområder, fra vand- og gasrensning til overvågning af luftkvalitet og energihøst.

I begyndelsen af ​​det 20. århundrede, Den kendte danske fysiker Martin Knudsen formulerede teorier til at beskrive gasstrømme. Nye nye systemer med smallere porer udfordrede Knudsen-beskrivelserne af gasstrømme, men de forblev gyldige, og det var uvist, på hvilket punkt af aftagende skala de kunne mislykkes.

Manchester-holdet - ledet af professor Radha Boya, i samarbejde med University of Pennsylvania-teamet, ledet af professor Marija Drndic — har for første gang vist, at Knudsens beskrivelse synes at holde stik ved den ultimative atomare grænse.

Videnskaben om todimensionelle (2-D)-materialer skrider hurtigt frem, og det er nu rutine for forskere at lave et-atom-tynde membraner. Professor Drndics gruppe i Pennsylvania udviklede en metode til at bore huller, et atom bredt, på et monolag af wolframdisulfid. Et vigtigt spørgsmål stod tilbage, dog:for at kontrollere om hullerne i atomskala var igennem og ledende, uden faktisk at se dem manuelt, en efter en. Den eneste måde tidligere at bekræfte, om hullerne var til stede og af den tilsigtede størrelse, var at inspicere dem i et højopløsningselektronmikroskop.

Professor Boyas team udviklede en teknik til at måle gasstrømme gennem atomare huller, og igen bruge flowet som et værktøj til at kvantificere huldensiteten. Hun sagde:"Selvom det er hævet over enhver tvivl, at det at se er at tro, videnskaben har været stort set begrænset ved kun at kunne se atomporerne i et fancy mikroskop. Her har vi enheder, hvorigennem vi ikke kun kan måle gasstrømme, men brug også strømmene som en guide til at vurdere, hvor mange atomare huller der var i membranen til at starte med."

J Thiruraman, den første forfatter til undersøgelsen, sagde:"At være i stand til at nå den atomare skala eksperimentelt, og at få billeddannelsen af ​​den struktur med præcision, så du kan være mere sikker på, at det er en pore af den størrelse og form, var en udfordring."

Professor Drndic tilføjede:"Der er en masse enhedsfysik mellem at finde noget i et laboratorium og at skabe en brugbar membran. Det kom med fremskridtene af teknologien såvel som vores egen metodologi, og det nye her er at integrere dette i en enhed, som du faktisk kan tage ud, transport over havet, hvis du ønsker [til Manchester], og måle."

Dr. Ashok Keerthi, en anden hovedforfatter fra Manchester-holdet, sagde:"Manuel inspektion af dannelsen af ​​atomare huller over store områder på en membran er omhyggelig og sandsynligvis upraktisk. Her bruger vi et simpelt princip, mængden af ​​gas, som membranen slipper igennem, er et mål for, hvor hullet den er."

De opnåede gasstrømme er flere størrelsesordener større end tidligere observerede strømme i porer i angstrom-skala i litteraturen. En en-til-en korrelation af atomare aperturdensiteter ved transmissionselektronmikroskopi-billeddannelse (målt lokalt) og fra gasstrømme (målt i stor skala) blev kombineret af denne undersøgelse og offentliggjort af holdet. S Dar, en medforfatter fra Manchester tilføjede:"Overraskende nok er der ingen/minimal energibarriere for strømmen gennem sådanne små huller."

Professor Boya tilføjede:"Vi har nu en robust metode til at bekræfte dannelsen af ​​atomare åbninger over store områder ved hjælp af gasstrømme, hvilket er et vigtigt skridt for at forfølge deres fremtidige anvendelser på forskellige områder, herunder molekylær adskillelse, sensing og overvågning af gasser ved ultralave koncentrationer."