Gaten op nanoschaal in grafeen ("nanowindows" genoemd) kunnen selectief kiezen welk type luchtmoleculen er doorheen kunnen gaan.

Wetenschappers van Shinshu University en PSL University, Frankrijk, bewees theoretisch de gezamenlijke beweging van de nanoraamrand om moleculen selectief snel te laten passeren, energiezuinige manier. Dit biedt nieuwe mogelijkheden om een ​​geavanceerde moleculaire scheidingsmembraantechnologie te creëren.

De atomaire vibratie van de nanowindow-rand verandert de effectieve nanowidow-grootte. Wanneer de rand van de ene kant is afgeweken en de andere is afgeweken naar de tegenovergestelde richting, de effectieve nanovenstergrootte wordt groter dan wanneer de rand niet beweegt. Dit effect is overheersend voor zuurstofmoleculen, stikstof en argon, het induceren van een efficiënte scheiding van zuurstof uit lucht.

De studie beschouwde de scheiding van de belangrijkste componenten van lucht:zuurstof, stikstof en argon. De moleculaire grootte van zuurstof, stikstof en argon zijn 0,299, 0.305, en 0,363 nanometer (nm). De onderzoekers vergeleken de permeatie van deze moleculen op zes nanovensters van verschillende grootte (van 0,257 nm, 0,273 nm, 0,297 nm, 0,330 nm, 0,370 nm, en 0,378 nm).

Nanovensters werden bereid door oxidatiebehandeling. Dus, hun velgen zijn gepassiveerd met waterstof- en zuurstofatomen, die een essentiële rol spelen bij selectieve permeatie.

Verrassend genoeg, de moleculen dringen door nanovensters, zelfs wanneer de starre nanovenstergrootte kleiner is dan de beoogde moleculaire grootte. Bijvoorbeeld, O2 dringt sneller door nanovensters van 0,29 nm dan door nanovensters van 0,33 nm. Het verschil in permeatiesnelheid hangt samen met de interactie van het molecuul met de nanowidow-rand en grafeen. Het mechanisme wordt uitgelegd aan de hand van interactie-energie en trillingsbeweging van zuurstof en waterstof aan de rand van het nanoraam. Op nanoschaal is het lokale elektrische veld afkomstig van de rand van het nanoraam met waterstof- en zuurstofatomen is groot genoeg om de oriëntatie van zuurstof- en stikstofmoleculen te bepalen, waardoor een zeer selectieve permeatie wordt verkregen door nanovensters die kleiner zijn dan zuurstofmoleculen. Deze selectiviteit hangt af van de structuur en eigenschap van een gasmolecuul en de geometrie (grootte en vorm) en randchemie van nanowindows.

De gecoördineerde oriënterende bewegingen van de waterstof- en zuurstofatomen aan de rand van het nanoraam, veroorzaakt door thermische trillingen, veranderen de effectieve grootte van het venster met ongeveer 0,01 nm. De gezamenlijke trilling aan de rand van het nanovenster kan het nanovenster openen voor moleculen die de voorkeur hebben (zuurstofgas in dit geval).

Deze studie evalueerde de permeatie van gemengd gas om selectiviteiten te meten. De scheidingsefficiëntie overschreed 50 en 1500 voor O2/N2 en O2/Ar bij kamertemperatuur, respectievelijk. De huidige membranen hebben permeatiesnelheidselectiviteiten 6 voor O2/N2 bereikt, maar ze missen een hoge permeatiesnelheid. Dit toont een veelbelovende mogelijkheid van de dynamische nanovensters in het grafeen.

Luchtscheiding in de industrie maakt gebruik van distillatie, die veel energie verbruikt. Gassen die in deze studie worden gebruikt, worden veel gebruikt in industrieën zoals de geneeskunde, voedsel- en staalproductie. De ontwikkeling van de dynamische nanowindow-embedded grafenen zal een grote hoeveelheid energie besparen en zorgen voor veiligere en efficiëntere processen.