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2D材料

2D材料

2D通道中的无摩擦流动

22 Jun 2018 IsabelleDumé.
Angstrom-scale slits

气体可以渗透到由石墨烯和氮化硼等材料制成的2D通道,而不是通过理论预测的更快。效果可以通过“镜面散射”来解释,这导致无摩擦流动,并且可以在诸如过滤和流量控制的应用中进行利用。

“通过纳米尺度孔隙的气体渗透性在自然界中普遍存在,但它也在许多技术中起重要作用,”解释说 Boya Radha 在英国曼彻斯特大学,与诺贝尔劳特雷一起带领这项研究努力 爵士和里德里爵士。 “由于孔的尺寸通常小于气体分子的平均自由扩散路径,因此我们可以通过传统的knudsen理论描述该流程。这里,漫射分子随机地从限制沟道壁上反弹(或散射),这降低了它们的流动。

然而,“在具有原子平壁的通道中,例如由石墨烯(2D碳片)和氮化硼(BN)制成的那些,其在1Ångström的尺度(10-10 m)这个理论崩溃了。这是因为扩散分子很少散开墙壁,因此基本上渗透到通道上,好像它不在那里。“

石墨烯是最巧妙的

通过测量氦气扩散的速率,通过Ångström级狭缝的距离与由切割的石墨,六边形Bn和硫化钼(MOS钼(MOS)制成的壁扩散的速率来获得它们的结果2)。所有这些材料都可以剥离或稀释,向单层厚度且具有原子平坦的表面。在实验中,研究人员使用每种材料的两种薄(大约10-100nm厚)晶体的通道,并用它们作为通道的底部和顶壁。它们等离子体蚀刻了第三薄晶体,使其包含长的窄沟槽。这种晶体起到顶部和底壁之间的垫片的作用。

“我们组装了三个晶体,该晶体由梵德华群落在一起,在彼此之上,”解释说:“解释说 ashok keerthi,谁是研究的第一个作者。 “我们可以选择它们之间的间距只是我们需要的一个原子层厚或达到多个层。

“我们发现氦气运输速率通过石墨烯最快,最慢的MOS2。虽然我们所研究的所有2D材料是原子平的,但原子的微小差异“corrugations”石墨烯,HBN和MOS2可以是散射氦分子的“毛毡”。这只能通过量子效应来解释,即物质(氦)的波浪状本质。“

事实上,当(de Broglie)波长的氦波长远大于壁表面的原子尺度粗糙度时,与石墨烯制成的壁的情况一样,它镜面散落。这种散射导致无摩擦气体流动和弹道传输。相比之下,氦气渗透到mos2 以Knudsen理论预测的速率,因为它在原子尺度比石墨(和HBN)更粗糙。事实上,这种粗糙度来自莫原子之间突出的硫原子。这些波纹几乎是Ångström高,其直径与氦分子的波长相同。

确认物质波效应

曼彻斯特团队通过测量氘(氢较重同位素)渗透到由石墨烯和HBN制成的2D通道的速率来备份这种物质波效果。 “我们发现氢气渗透得比氘更快,即使应该根据古典knudsen描述相反,”Geim说。 “虽然氢气和氘分子的尺寸相同,但它们的De Broglie波长不是。氢气的De Broglie波长比氘更大,这导致从通道壁上增加氢气的镜面反射,从而更快地扩散。“

这些结果从各种原子平滑纳米通道的天然气运输的实验中备份了先前的发现,例如碳纳米管,由石墨烯,石墨烯和其他2D材料制成的纳米多孔膜,增加了Radha。

研究人员,报告他们的工作 自然 558 420说,他们现在希望研究甚至更薄的通道中气体的大小选择性分离。 “虽然小分子以高速通过这些通道,但由于镜面而不是扩散散射,因此应由于空间效应而被排除较大的频道,”她解释说。 “这可能在过滤技术中有用,因为我们将在一个系统中同时具有快速流量和尺寸排除。”

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