Nya experiment av forskare vid University of Manchester har satt de bästa gränserna hittills för impermeabiliteten hos grafen och andra tvådimensionella material för gaser och vätskor. Arbetet har också avslöjat att kolskiktet kan fungera som en kraftfull katalysator för vätespjälkning, ett fynd som lovar billiga och rikliga katalysatorer i framtiden.

Grafen har teoretiskt sett en mycket hög energi för penetration av atomer och molekyler, som hindrar gaser och vätskor från att passera genom den vid rumstemperatur. Verkligen, det uppskattas att det skulle ta längre tid än universums livstid att hitta en atom som är tillräckligt energisk för att tränga igenom en defektfri monolagergrafen av valfri realistisk storlek under omgivningsförhållanden, säger forskarna under ledning av professor Sir Andre Geim. Denna hypotes stöds av verkliga experiment som utfördes för över ett decennium sedan som fann att grafen med en tjocklek på en atom var mindre permeabel för heliumatomer än en kvartsfilm med några mikrometers tjocklek. Även om filmen är 100, 000 tjockare än grafen, detta är fortfarande mycket långt från den teoretiska gränsen.

Perfekt förslutna behållare

Manchester-teamet utvecklade en mätteknik som är många miljarder gånger känsligare för genomträngande gasatomer än någon av de kända metoderna. I deras studie, redovisas i Natur , de började med att borra mikronstora brunnar i monokristaller av grafit eller bornitrid, som de täckte med ett enatoms tjockt grafenmembran. Eftersom den övre ytan på dessa behållare är atomärt plan, locket ger en perfekt lufttät tätning. Det enda sättet som atomer och molekyler kan komma in i en behållare är genom grafenmembranet. Själva membranet är flexibelt och reagerar på mindre tryckförändringar inuti behållaren.

Forskarna placerade sedan behållarna i heliumgas. Om atomer kommer in i eller ut ur en behållare, gastrycket inuti ökar eller minskar, respektive, och får lockets yta att bukta ut över några små avstånd. Teamet övervakade dessa rörelser med ångström precision med hjälp av ett atomkraftmikroskop.

"Det nya resultatet backar upp (och ger en förklaring till) några av de tidigare rapporterna i litteraturen om grafens oväntat höga katalytiska aktivitet, vilket var särskilt kontraintuitivt på grund av den extrema trögheten hos dess bulkförälder, grafit, säger professor Sir Andre Geim.

Som en "en kilometer tjock vägg av glas"

Från förändringar i membranpositionen, antalet atomer eller molekyler som penetrerar genom grafen kan beräknas exakt. Forskarna fann att inte mer än några heliumatomer - om några - kom in i eller ut ur sin behållare per timme. "Denna känslighet är mer än åtta till nio storleksordningar högre än vad som uppnåtts i tidigare experiment på grafenogenomtränglighet, som själva var några storleksordningar känsligare än detektionsgränsen för moderna heliumläckagedetektorer. För att sätta detta i perspektiv, en atoms tjock kol är mindre genomsläpplig för gaser än en en kilometer tjock glasvägg, " förklarar Geim.

Helium är den mest genomträngande av alla gaser, på grund av dess små svagt interagerande atomer. Ändå, forskarna bestämde sig för att upprepa sina experiment med andra gaser som neon, kväve, syre, argon, krypton, xenon och väte. Alla visade ingen genomträngning med samma noggrannhet som uppnåddes för helium, förutom väte. I motsats till alla andra, den trängde relativt snabbt genom defektfri grafen. Dr Pengzhan Sun, den första författaren till Nature-tidningen, "Detta är ett chockerande resultat:en vätemolekyl är mycket större än en heliumatom. Om den senare inte kan passera igenom, hur i hela friden kan större molekyler."

Böjd grafen för vätedissociation

Teamet tillskriver den oväntade vätegenomträngningen till det faktum att grafenmembranen inte är helt platta utan har många nanometerstora krusningar. De fungerar som katalytiskt aktiva regioner och dissocierar absorberat molekylärt väte till två väteatomer, en reaktion som vanligtvis är enormt ogynnsam. Grafenkrusningar gynnar vätesplittringen, överensstämmer med teorin. Sedan, de adsorberade väteatomerna kan vända till andra sidan av grafenmembranen med en relativ lätthet, liknande permeation av protoner genom defektfri grafen. Den senare processen var känd tidigare och förklarades av det faktum att protoner är subatomära partiklar, tillräckligt liten för att klämma sig igenom det täta kristallgittret av grafen.

"Det nya resultatet backar upp (och ger en förklaring till) några av de tidigare rapporterna i litteraturen om grafens oväntat höga katalytiska aktivitet, vilket var särskilt kontraintuitivt på grund av den extrema trögheten hos dess bulkförälder, grafit, säger Geim.

"Vårt arbete ger en grund för att förstå varför grafen kan fungera som en katalysator - något som borde stimulera ytterligare forskning om att använda materialet i sådana applikationer i framtiden, Dr. Sun tillägger. "På sätt och vis, Nanoripplar av grafen beter sig som platinapartiklar, som också är kända för att dela molekylärt väte. Men ingen förväntade sig detta från till synes inert grafen."