Heliumgastransport genom ångströmskalor. a, Schematisk (infälld) och TEM -mikroskop (huvudpanel) av en 2D -kanal monterad från MoS2 -kristaller. Kanalen ses i svart i huvudpanelen; för tydlighets skull, dess kanter är markerade med röda fästingar. Enskiktsdistansen syns mörkare med avseende på de övre och nedre kristallerna på grund av olika inriktningar i planet. Kontrastvipporna som löper vertikalt är ett resultat av den gardineffekt som uppstår under jonstrålepolering. b, Hög förstoringsbild av kanalen i nära dess vänstra kant. Varje ljus horisontell linje motsvarar monolager MoS2. c, Schematisk över de experimentella enheterna. Tri-kristallaggregatet (cyan och gult) täcker en öppning i ett kiselnitridmembran (grönt) framställt ovanpå en kiselskiva (grå). d, Jämförelse av heliumgenomsläpplighet genom 2D -kanaler med samma höjd (N =5), men med väggar gjorda av olika kristaller (som anges av etiketterna). Alla enheter här är enkanaliga, med L =1-6 μm. (mol) flödeshastigheter vid rumstemperatur (296 ± 3 K) normaliseras per kanallängd och, för läsbarhet, multipliceras med de faktorer som visas. Flödet som förväntas för Knudsen -diffusion visas med den heldragna svarta linjen nära MoS2 -data. Insats, vår mätinställning. Pilen anger gasflödesriktningen. Kredit:(c) Natur (2018). DOI:10.1038/s41586-018-0203-2
Nya experiment av forskare vid National Graphene Institute vid University of Manchester har kastat mer ljus över gasflödet genom små, ångstorlekar med atomiskt plana väggar.
Publicerad i Natur , denna nya forskning visar att kanalerna tillåter gas genom dem i hastigheter som är storleksordningar snabbare än förväntat från teorin. Detta kommer inte bara att vara viktigt för grundläggande studier om molekylära flöden i nanoskala utan även för applikationer som avsaltning och filtrering.
Det rapporterade avvikande höga flödet beror på ett fenomen som kallas 'spekulär ytspridning', som låter en gas passera genom kanalen som om den inte alls fanns där.
För att förstå denna effekt, tänk dig ett smalt gap mellan två parallella ytor. Om ytorna är grova, ljuset sken i gapet sprids slumpmässigt. Det skulle alltså ta zillioner av studsar innan ljuspartiklarna (fotoner) dyker upp i slumpmässiga riktningar.
Nu, om dessa ytor är speglar, ljuset skulle bara behöva några studsar innan fotoner dyker upp på andra sidan - som om det inte fanns något hinder alls. Det tidigare scenariot är vad som normalt händer i ett flöde av molekyler genom rör, och det senare är vad som hittades i denna studie.
Teamet kunde få sina resultat genom att studera hur heliumgas genomsyrar genom ångströmskaliga spaltliknande kanaler med väggar gjorda av klyvda kristaller av grafit, sexkantig bornitrid (hBN) eller molybdensulfid (MoS 2 ). Dessa material kan alla exfolieras ner till en skikttjocklek och ger atomiskt plana ytor som är stabila vid rumstemperatur och tryck.
Sådana ångströmskalor är bara några atomer i höjd och var omöjliga att tillverka förrän helt nyligen.
Dr Radha Boya, som var en av ledarna för studien sa:"Våra experiment visar att ytspridning av helium är mycket känsligt för atomlandskapet. Till exempel, helium tränger igenom mycket långsammare genom kanaler gjorda av MoS 2 än genom de som är gjorda av de andra två materialen. Detta beror på att dess ytråhet är jämförbar i höjd med storleken på heliumatomerna som transporteras och deras (de Broglie) våglängd. "
Professor Sir Andre Geim tillade:"Även om alla använda material är atomiskt platta, vissa är plattare än andra. Heliumatomer är då som små pingisbollar som studsar genom ett rör, och beroende på om rörytan är ojämn eller slät, bollen kommer ut ur den andra änden långsammare eller snabbare. "
Grafen är det plattaste materialet av de tre. MoS 2 å andra sidan är så grovt för heliumatomer att de studsar slumpmässigt tillbaka som pingisbollar från en tvättbräda.
Den spekulära spridningen kan bara förklaras genom att ta hänsyn till kvanteffekter - det vill säga gasmolekylernas vågliknande natur. Forskarna bevisade detta genom att jämföra gasflöden av väte och dess tyngre isotopdeuterium.
De observerade att väte rinner genom 2-D-kanalerna betydligt snabbare än deuterium.
Dr Ashok Keerthi, den första författaren till tidningen sa:"Även om storleken på både väte och deuteriummolekyler är densamma och de är kemiskt exakt desamma, för, de Broglie -våglängden för väte är större jämfört med deuterium. Och det här är allt som behövs för att ändra spegelreflektion från kanalväggarna. "
Arbetet förväntas få stora konsekvenser för förståelsen av nanoskala system. Mycket av den nuvarande förståelsen kommer från klassisk newtonsk teori, men experimenten bevisar att - även under omgivande förhållanden - vissa nanoskala fenomen i sig innebär kvanteffekter och inte kan förklaras utan att ta hänsyn till att atomer också beter sig som vågor.
Manchester-laget försöker nu undersöka storleksselektiv separation av gaser med ännu tunnare kanaler, som skulle kunna användas i gasavskiljningstekniker.
