Nanoskala hål i grafen (kallade "nanofönster") kan selektivt välja vilken typ av luftmolekyler som kan passera igenom.

Forskare från Shinshu University och PSL University, Frankrike, teoretiskt bevisat den samordnade rörelsen av nanofönsterkanten för att selektivt tillåta molekyler att passera i en snabb, energieffektivt sätt. Detta ger nya möjligheter att skapa en avancerad molekylseparationsmembranteknologi.

Atomvibrationen på nanofönsterkanten ändrar den effektiva nanowidow-storleken. När kanten på ena sidan avviker och den andra avviker i motsatt riktning, den effektiva nanofönsterstorleken blir större än när fälgen inte rör sig. Denna effekt är dominerande för syremolekyler, kväve och argon, inducerar en effektiv separation av syre från luft.

Studien övervägde separation av luftens huvudkomponenter:syre, kväve och argon. Molekylstorleken av syre, kväve och argon är 0,299, 0,305, och 0,363 nanometer (nm). Forskarna jämförde genomträngningen av dessa molekyler på sex olika stora nanofönster (på 0,257 nm, 0,273 nm, 0,297 nm, 0,330 nm, 0,370 nm, och 0,378 nm).

Nanofönster framställdes genom oxidationsbehandling. Således, deras fälgar är passiverade med väte- och syreatomer, som har en väsentlig roll för selektiv genomträngning.

Förvånande, molekylerna tränger igenom nanofönster även när den stela nanofönsterstorleken är mindre än målmolekylstorleken. Till exempel, O2 tränger in snabbare genom 0,29 nm nanofönster än 0,33 nm nanofönster. Skillnaden i permeationshastighet är associerad med molekylens interaktion med nanowidow-kanten och grafen. Mekanismen förklaras med hjälp av interaktionsenergi och vibrationsrörelse av syre och väte vid nanofönsterkanten. I nanoskala, det lokala elektriska fältet som kommer från nanofönsterkanten med väte- och syreatomer är tillräckligt stort för att bestämma orienteringen av syre- och kvävemolekyler, ger en mycket selektiv permeation genom nanofönster som är mindre än syremolekyler. Denna selektivitet beror på strukturen och egenskaperna hos en gasmolekyl och geometrin (storlek och form) och kantkemin hos nanofönster.

De samordnade orienteringsrörelserna av väte- och syreatomerna vid nanofönsterkanten orsakade av termiska vibrationer ändrar den effektiva storleken på fönstret med ungefär 0,01 nm. Den samordnade vibrationen vid nanofönstrets kant kan öppna nanofönstret för föredragna molekyler (syregas i detta fall).

Denna studie utvärderade blandad gaspermeation för att mäta selektiviteter. Separationseffektiviteten översteg 50 och 1500 för O2/N2 och O2/Ar vid rumstemperatur, respektive. De nuvarande membranen har erhållit permeationshastighetsselektivitet 6 för O2/N2 men samtidigt, de saknar hög permeationshastighet. Detta visar lovande möjlighet för dynamiska nanofönster i grafen.

Luftseparering inom industrin använder destillation, som drar mycket energi. Gaser som används i denna studie används i stor utsträckning inom industrier som medicin, livsmedels- och stålproduktion. Utveckling av de dynamiska nanofönster-inbäddade grafenerna kommer att spara en stor mängd energi och ge säkrare och effektivare processer.