(Phys.org)-Ingenjörsfakulteten och studenterna vid University of Colorado Boulder har tagit fram de första experimentella resultaten som visar att atomtunna grafenmembran med små porer effektivt och effektivt kan separera gasmolekyler genom storleksselektiv siktning.

Fynden är ett viktigt steg mot förverkligandet av mer energieffektiva membran för naturgasproduktion och för att minska koldioxidutsläpp från kraftverkets avgasrör.

Maskinteknikprofessorerna Scott Bunch och John Pellegrino var medförfattare till en uppsats i Naturnanoteknik med doktorander Steven Koenig och Luda Wang som beskriver experimenten. Tidningen publicerades den 7 oktober i tidskriftens onlineutgåva.

Forskargruppen introducerade porer i nanoskala i grafenark genom ultraviolett ljusinducerad oxidativ "etsning, "och mätte sedan permeabiliteten för olika gaser över de porösa grafenmembranen. Experiment gjordes med en rad gaser inklusive väte, koldioxid, argon, kväve, metan och svavelhexaflourid - som varierar i storlek från 0,29 till 0,49 nanometer - för att demonstrera potentialen för separation baserat på molekylär storlek. En nanometer är en miljarddels meter.

"Dessa atomiskt tunna, porösa grafenmembran representerar en ny klass av ideala molekylsilar, där gastransport sker genom porer som har en tjocklek och diameter på atomskala, "sa Bunch.

Grafen, ett enda lager grafit, representerar den första verkligt tvådimensionella atomkristallen. Den består av ett enda lager av kolatomer som är kemiskt bundna i ett sexkantigt "kycklingtrådsgitter" - en unik atomstruktur som ger den anmärkningsvärda elektriska, mekaniska och termiska egenskaper.

"De mekaniska egenskaperna hos detta underbara material fascinerar vår grupp mest, "Sa Bunch." Det är det tunnaste och starkaste materialet i världen, liksom att vara ogenomtränglig för alla vanliga gaser. "

Dessa egenskaper gör grafen till ett idealiskt material för att skapa ett separationsmembran eftersom det är hållbart och ändå inte kräver mycket energi för att driva molekyler genom det, han sa.

Andra tekniska utmaningar måste övervinnas innan tekniken kan förverkligas fullt ut. Till exempel, skapa tillräckligt stora ark grafen för att utföra separationer i industriell skala, och att utveckla en process för att producera exakt definierade nanoporer av erforderliga storlekar är områden som behöver vidareutvecklas. CU-Boulder-experimenten utfördes i relativt liten skala.

Grafens betydelse i den vetenskapliga världen illustrerades av Nobelpriset i fysik 2010 som hedrade två forskare vid Manchester University i England, Andre K. Geim och Konstantin Novoselov, för att producera, isolera, identifiera och karakterisera grafen. Forskare ser en myriad av potential för grafen när forskningen fortskrider, från att göra nya och bättre skärmar och elektriska kretsar till att producera små biomedicinska enheter.