Nieuwe experimenten van onderzoekers van het National Graphene Institute van de Universiteit van Manchester hebben meer licht geworpen op de gasstroom door kleine, Angstrom-sized kanalen met atomair vlakke wanden.

Gepubliceerd in Natuur , dit nieuwe onderzoek toont aan dat de kanalen gas doorlaten met snelheden die orden van grootte sneller zijn dan op grond van de theorie wordt verwacht. Dit is niet alleen van belang voor fundamentele studies naar moleculaire stromingen op nanoschaal, maar ook voor toepassingen als ontzilting en filtratie.

De gerapporteerde abnormaal hoge stroom is te wijten aan een fenomeen dat 'spiegelende oppervlakteverstrooiing' wordt genoemd, waardoor een gas door het kanaal kan gaan alsof het er helemaal niet is.

Om dit effect te begrijpen, stel je een smalle opening voor tussen twee evenwijdige oppervlakken. Als de oppervlakken ruw zijn, licht scheen in de opening is willekeurig verspreid. Het zou dus ontelbare bounces vergen voordat de lichtdeeltjes (fotonen) in willekeurige richtingen tevoorschijn komen.

Nutsvoorzieningen, als deze oppervlakken spiegels zijn, het licht zou maar een paar keer moeten stuiteren voordat fotonen aan de andere kant tevoorschijn komen - alsof er helemaal geen obstructie is. Het eerste scenario is wat er normaal gesproken gebeurt in een stroom van moleculen door pijpen, en dat laatste is wat werd gevonden in deze studie.

Het team kon hun resultaten verkrijgen door te bestuderen hoe heliumgas doordringt door spleetachtige kanalen op angstromschaal met wanden gemaakt van gespleten kristallen van grafiet, hexagonaal boornitride (hBN) of molybdeensulfide (MoS ₂ ). Deze materialen kunnen allemaal worden geëxfolieerd tot een monolaagdikte en bieden atomair vlakke oppervlakken die stabiel zijn bij kamertemperatuur en druk.

Dergelijke spleten op angströmschaal zijn slechts een paar atomen hoog en waren tot voor kort onmogelijk te fabriceren.

Dr. Radha Boya, die een van de leiders van de studie was, zei:"Onze experimenten tonen aan dat oppervlakteverstrooiing van helium zeer gevoelig is voor het atomaire landschap. Bijvoorbeeld, helium dringt veel langzamer door via kanalen gemaakt van MoS ₂ dan door die gemaakt van de andere twee materialen. Dit komt omdat de oppervlakteruwheid in hoogte vergelijkbaar is met de grootte van de getransporteerde heliumatomen en hun (de Broglie) golflengte."

Professor Sir Andre Geim voegde toe:"Hoewel alle gebruikte materialen atomair vlak zijn, sommige zijn platter dan andere. Heliumatomen zijn dan als kleine pingpongballen die door een pijp stuiteren, en afhankelijk van of het buisoppervlak hobbelig of glad is, de bal komt langzamer of sneller uit de andere kant."

Grafeen is het platste materiaal van de drie. MoS ₂ aan de andere kant is het zo ruw voor heliumatomen dat ze willekeurig terugkaatsen als pingpongballen van een wasbordoppervlak.

De spiegelverstrooiing kan alleen worden verklaard door rekening te houden met kwantumeffecten - dat wil zeggen, de golfachtige aard van gasmoleculen. De onderzoekers bewezen dit door gasstromen van waterstof en zijn zwaardere isotoop deuterium te vergelijken.

Ze zagen dat waterstof aanzienlijk sneller door de 2D-kanalen stroomt dan deuterium.

Dr. Ashok Keerthi, de eerste auteur van het artikel zei:"Hoewel de grootte van zowel waterstof- als deuteriummoleculen hetzelfde is en ze chemisch precies hetzelfde zijn, te, de de Broglie-golflengte van waterstof is groter dan die van deuterium. En dit is alles wat nodig is om de spiegelende reflectie van de kanaalwanden te veranderen."

Het werk zal naar verwachting grote implicaties hebben voor het begrip van systemen op nanoschaal. Veel van het huidige begrip komt uit de klassieke Newtoniaanse theorie, maar de experimenten bewijzen dat - zelfs onder omgevingsomstandigheden - sommige verschijnselen op nanoschaal intrinsiek kwantumeffecten met zich meebrengen en niet kunnen worden verklaard zonder rekening te houden met het feit dat atomen zich ook als golven gedragen.

Het Manchester-team onderzoekt nu naar grootteselectieve scheiding van gassen met behulp van nog dunnere kanalen. die toepassingen in gasscheidingstechnologieën zouden kunnen bieden.