Grafen okazał się przepuszczalny, ale tylko dla wodoru
Grafen to wyjątkowy materiał, którego właściwości są tak wyjątkowe, że wielu naukowców na całym świecie aktywnie bada ten materiał.
Dlatego wcześniej uważano, że jednowarstwowy grafen jest nieprzepuszczalny dla absolutnie wszystkich cieczy i gazów. Ale dokładniejsze pomiary i eksperymenty wykazały, że to stwierdzenie nie jest prawdziwe. Przynajmniej w przypadku atomów wodoru grafen jest bardziej niż przepuszczalny.
Najprawdopodobniej ta anomalia jest związana z oddziaływaniem dokładnie atomów wodoru z fałdami utworzonymi na jednowarstwowym grafenie w temperaturze pokojowej.
Eksperymenty z grafenem
Międzynarodowa grupa naukowa złożona ze specjalistów z uniwersytetów w Manchesterze i Wuhan pod kierownictwem A. Game, przeprowadził serię eksperymentów.
W efekcie udało im się zwiększyć czułość pomiarów o 9 rzędów wielkości (w porównaniu z eksperymentami ich kolegów).
Jak wykazały te badania, grafen, z dokładnością do kilku atomów na godzinę, jest w rzeczywistości przeszkodą nie do pokonania dla helu, neonu, azotu, tlenu, argonu, kryptonu i ksenonu.
Ale w przypadku wodoru naukowców czekała niespodzianka.
Postęp eksperymentu
Aby przeprowadzić eksperymenty, inżynierowie z grupy naukowej specjalnie stworzyli otwory w graficie monokrystalicznym lub azotku boru o głębokości około 50 nanometrów, a następnie szczelnie zamknięto „dołki” jednowarstwową folią grafen.
Uzyskane w ten sposób pojemniki umieszczono w komorach, do których wpompowywano różne gazy, a poprzez krzywiznę folii monitorowano prawdopodobne przenikanie gazów do pojemników.
Ponieważ zwykłe powietrze atmosferyczne jest zamknięte w pojemniku, a gazy na zewnątrz są w czystej postaci, ciśnienie cząstkowe na folii z różnych stron jest różne.
Gdyby grafen był przepuszczalny dla gazów, to z czasem on (gaz) przedostał się do powstałego pojemnika, ciśnienie w nim wzrosło, co doprowadziłoby do pęcznienia folii.
Do obserwacji wykorzystano mikroskop sił atomowych.
Podczas eksperymentu wykorzystano kilkanaście pojemników, które były w różnych gazach nawet przez miesiąc.
W rezultacie naukowcy odkryli, że nie było żadnego znaczącego przepływu przez membranę, z wyjątkiem wodoru. Okazało się z nim ciekawiej.
Zagadka interakcji wodoru i grafenu
Dla porównania, jednowarstwowy grafen jest mniej przepuszczalny dla atomów helu (który jest uważany za najbardziej „zwinny” ze wszystkich gazów, ponieważ rozmiar rdzenia) niż kilometrowa warstwa szkła krzemionkowego (bariera energetyczna jest większa niż 1,2 elektron-wolt).
Pomiary wykazały, że przepuszczalność grafenu dla wodoru okazała się wynosić 2 * 10 ^ 10 cząstek na sekundę na metr kwadratowy.
Dalsze eksperymenty przeprowadzono tylko z wodorem i można było stwierdzić, że strumień zmienia się wykładniczo i zgodnie z prawem Arrheniusa. I można było obliczyć barierę energetyczną, która wynosiła 1,0 elektronowolta. Uzyskane w trakcie eksperymentu dane okazały się znacznie niższe niż przeprowadzone wcześniej obliczenia teoretyczne.
Dlaczego atomy wodoru tak łatwo przenikają do grafenu
Naukowcy wysunęli teorię, zgodnie z którą fałdy obecne na grafenie (które są zawsze obecne w temperaturze pokojowej) prowadzą do katalitycznej dysocjacji cząsteczek wodoru.
Okazuje się, że cząsteczka wodoru rozpada się na atomy i jest wchłaniana przez istniejącą fałdę, a uwolniony elektron staje się elektronem przewodzącym grafenu.
To znaczy, przekształcając w ten sposób wodór w proton (i jak wcześniej ustalono, grafen dobrze przenosi protony).
Następnie uformowany proton „przeskakuje” na drugą stronę warstwy grafenu, a następnie odrywa się od niej.
W ten sposób naukowcy wyjaśniają wszystkie dane uzyskane eksperymentalnie. A także przejście deuteronów przez warstwę grafenu, które zmierzono w innych eksperymentach.
Wyniki swoich badań naukowcy opublikowali w czasopiśmieNatura.
Grafen to wyjątkowy materiał, który wciąż ma wiele nieodkrytych właściwości, więc jeśli chcesz być pierwszym, który dowie się o nowych odkryciach, koniecznie zapisz się i polub ten artykuł.
Dziękuję za uwagę i przeczytanie do końca!