Ny forskning av forskare från Delft University of Technology och University of Duisburg-Essen använder rörelsen av atomärt tunt grafen för att identifiera ädelgaser. Dessa gaser är kemiskt passiva och reagerar inte med andra material, vilket gör det svårt att upptäcka dem. Fynden redovisas i tidskriften Naturkommunikation .

Grafen är ett ytterst tunt material som består av endast ett lager av kolatomer. Dess atomtjocklek gör det till ett perfekt filtermaterial för gaser och vätskor:grafen i sig är det inte permeabelt, men små perforeringar gör den mycket genomsläpplig. Dessutom, materialet är bland de starkaste kända och tål höga påkänningar. Tillsammans, dessa två egenskaper ger den perfekta basen för nya typer av gassensorer.

Nanoballonger

Forskarna använder mikroskopiska ballonger gjorda av tvåskiktsgrafen (med en tjocklek på 0,7 nm), med mycket små nanoporperforeringar med diametrar ner till 25 nm, för att upptäcka gaser. De använder en laser för att värma gasen inuti ballongen och få den att expandera. Den trycksatta gasen kommer sedan ut genom perforeringen. "Föreställ dig en ballong som töms när du låter luften rinna ut, " säger TU Delft-forskaren Irek Rosłoń, "Vi mäter den tid det tar för ballongen att tömmas. I så liten skala, detta händer väldigt snabbt – inom cirka 1/100 000:e sekunden – och intressant nog, tidslängden beror starkt på typen av gas och storleken på porerna. Till exempel helium, en lätt gas med hög molekylär hastighet, flyr fem gånger snabbare än krypton, en tung och långsamt rörlig gas." Metoden gör det möjligt att särskilja gaser baserat på deras massa och molekylära hastighet, vilket normalt kräver stora masspektrometrar.

Gaspumpning

Grafenballongerna drivs kontinuerligt av en optotermisk kraft vid höga frekvenser på 100 kHz, vilket gör att gas pumpas in och ut genom nanoporerna mycket snabbt. Genomträngningen av gasen kan studeras genom att titta på grafenens mekaniska rörelse. Vid låga pumpningsfrekvenser, gasen har gott om tid på sig att fly och påverkar inte grafenens rörelse nämnvärt. Dock, membranet upplever ett stort motstånd vid ökade pumpningsfrekvenser, i synnerhet när pumpperioden motsvarar den typiska tid det tar för gasen att lämna ballongen. "Genom att mäta vid olika frekvenser, vi kan hitta den toppen i draget. Frekvensen vid vilken en topp observeras motsvarar gasens genomträngningshastighet."

Forskarna utvidgade denna idé till att studera gasflödet genom nanokanaler. Att koppla ballongen till en lång kanal gör det mycket svårare för gasen att komma ut. Ökningen av tömningstiden ger experimentell insikt i gasflödesmekaniken i nanokanalerna. Sammanlagt, detta arbete visar hur grafenens extraordinära egenskaper kan användas för att studera gasdynamik på nanoskala, samt att konstruera nya typer av sensorer och enheter. I framtiden, detta kan möjliggöra små, billiga och mångsidiga sensorenheter för att bestämma sammansättningen av gasblandningar i industriella tillämpningar eller för övervakning av luftkvalitet.