Forskare från National Graphene Institute vid University of Manchester och University of Pennsylvania har identifierat ultrasnabba gasflöden genom de minsta hålen i enatoms tunna membran, i en studie publicerad i Vetenskapens framsteg .

Arbetet – vid sidan av en annan studie från Penn om skapandet av sådana nanoporösa membran – lovar många användningsområden, från vatten- och gasrening till övervakning av luftkvalitet och energiutvinning.

I början av 1900-talet, Den kända danske fysikern Martin Knudsen formulerade teorier för att beskriva gasflöden. Framväxande nya system med smalare porer utmanade Knudsens beskrivningar av gasflöden, men de förblev giltiga och det var okänt vid vilken punkt av minskande skala de kunde misslyckas.

Manchester-teamet – ledd av professor Radha Boya, i samarbete med University of Pennsylvania-teamet, ledd av professor Marija Drndic — har för första gången visat att Knudsens beskrivning tycks stämma vid den yttersta atomgränsen.

Vetenskapen om tvådimensionella (2D)-material går snabbt framåt och det är nu rutin för forskare att göra enatomstunna membran. Professor Drndics grupp i Pennsylvania utvecklade en metod för att borra hål, en atom bred, på ett monoskikt av volframdisulfid. En viktig fråga återstod, dock:för att kontrollera om hålen i atomskala var genom och leder, utan att faktiskt se dem manuellt, en och en. Det enda sättet tidigare att bekräfta om hålen fanns och av den avsedda storleken, var att inspektera dem i ett högupplöst elektronmikroskop.

Professor Boyas team utvecklade en teknik för att mäta gasflöden genom atomhål, och i sin tur använda flödet som ett verktyg för att kvantifiera håldensiteten. Hon sa:"Även om det är utom tvivel att se är att tro, vetenskapen har varit ganska begränsad genom att bara kunna se atomporerna i ett fint mikroskop. Här har vi enheter genom vilka vi inte bara kan mäta gasflöden, men använd också flödena som en guide för att uppskatta hur många atomhål som fanns i membranet till att börja med."

J Thiruraman, studiens första författare, sa:"Att kunna nå den atomska skalan experimentellt, och att ha avbildningen av den strukturen med precision så att du kan vara mer säker på att det är en por av den storleken och formen, var en utmaning."

Professor Drndic tillade:"Det finns mycket enhetsfysik mellan att hitta något i ett labb och att skapa ett användbart membran. Det kom med utvecklingen av tekniken såväl som vår egen metodik, och vad som är nytt här är att integrera detta i en enhet som du faktiskt kan ta ut, transportera över havet om du vill [till Manchester], och mäta."

Dr Ashok Keerthi, en annan huvudförfattare från Manchester-laget, sade:"Manuell inspektion av bildandet av atomhål över stora ytor på ett membran är mödosamt och förmodligen opraktisk. Här använder vi en enkel princip, mängden gas som membranet släpper igenom är ett mått på hur håligt det är."

De gasflöden som uppnås är flera storleksordningar större än tidigare observerade flöden i porer i ångströmskala i litteraturen. En en-till-en-korrelation av atombländardensiteter genom transmissionselektronmikroskopi (mätt lokalt) och från gasflöden (mätt i stor skala) kombinerades av denna studie och publicerades av teamet. S Dar, en medförfattare från Manchester tillade:"Overraskande nog finns det ingen/minimal energibarriär för flödet genom så små hål."

Professor Boya tillade:"Vi har nu en robust metod för att bekräfta bildandet av atomära öppningar över stora områden med hjälp av gasflöden, vilket är ett viktigt steg för att fullfölja deras framtida tillämpningar inom olika domäner inklusive molekylär separation, avkänning och övervakning av gaser vid ultralåga koncentrationer."