Nieuwe experimenten door onderzoekers van de Universiteit van Manchester hebben tot nu toe de beste grenzen gesteld aan de ondoordringbaarheid van grafeen en andere tweedimensionale materialen voor gassen en vloeistoffen. Het werk heeft ook aangetoond dat de koolstofplaat kan fungeren als een krachtige katalysator voor waterstofsplitsing, een bevinding die in de toekomst goedkope en overvloedige katalysatoren belooft.

Grafeen heeft theoretisch een zeer hoge energie voor de penetratie van atomen en moleculen, die voorkomt dat gassen en vloeistoffen er bij kamertemperatuur doorheen gaan. Inderdaad, er wordt geschat dat het langer zou duren dan de levensduur van het heelal om een ​​atoom te vinden dat energiek genoeg is om onder omgevingsomstandigheden een defectvrij monolaag grafeen van elke realistische grootte te doorboren, zeggen de onderzoekers onder leiding van professor Sir Andre Geim. Deze hypothese wordt ondersteund door praktijkexperimenten die meer dan tien jaar geleden zijn uitgevoerd, waaruit bleek dat grafeen van één atoom dik minder doorlaatbaar was voor heliumatomen dan een kwartsfilm van enkele micron dik. Hoewel de film 100 is, 000 dikker dan grafeen, dit is nog ver verwijderd van de theoretische limiet.

Perfect afgesloten containers

Het Manchester-team ontwikkelde een meettechniek die vele miljard keer gevoeliger is voor doordringende gasatomen dan alle bekende methoden. In hun studie hebben gemeld in Natuur , ze begonnen met het boren van putten ter grootte van een micrometer in eenkristallen van grafiet of boornitride, die ze bedekten met een grafeenmembraan van één atoom dik. Aangezien het bovenoppervlak van deze containers atomair vlak is, het deksel zorgt voor een perfecte luchtdichte afdichting. De enige manier waarop atomen en moleculen een container kunnen binnendringen, is via het grafeenmembraan. Het membraan zelf is flexibel en reageert op kleine veranderingen in de druk in de container.

De onderzoekers plaatsten de containers vervolgens in heliumgas. Als atomen een container binnenkomen of verlaten, de gasdruk binnenin neemt toe of af, respectievelijk, en laat het oppervlak van het deksel over enkele kleine afstanden uitpuilen. Het team volgde deze bewegingen met angstrom-precisie met behulp van een atoomkrachtmicroscoop.

"Het nieuwe resultaat ondersteunt (en geeft een verklaring voor) enkele van de eerdere rapporten in de literatuur over de onverwacht hoge katalytische activiteit van grafeen, wat bijzonder contra-intuïtief was vanwege de extreme inertie van zijn bulkouder, grafiet, " zegt professor Sir André Geim.

Als een "een kilometer dikke glazen wand"

Door veranderingen in de membraanpositie, het aantal atomen of moleculen dat door grafeen dringt, kan nauwkeurig worden berekend. De onderzoekers ontdekten dat niet meer dan een paar heliumatomen - indien aanwezig - per uur hun container binnenkwamen of verlieten. "Deze gevoeligheid is meer dan acht tot negen ordes van grootte hoger dan bereikt in eerdere experimenten met de ondoordringbaarheid van grafeen, die zelf een paar ordes van grootte gevoeliger waren dan de detectielimiet van moderne heliumlekdetectoren. Om dit in perspectief te plaatsen, koolstof van één atoom dik is minder gasdoorlatend dan een glazen wand van één kilometer dik, " legt Geim uit.

Helium is het meest doordringende van alle gassen, vanwege zijn kleine zwak interagerende atomen. Niettemin, besloten de onderzoekers hun experimenten te herhalen met andere gassen zoals neon, stikstof, zuurstof, argon, krypton, xenon en waterstof. Ze vertoonden allemaal geen permeatie met dezelfde nauwkeurigheid als bereikt voor helium, behalve waterstof. In tegenstelling tot alle anderen, het drong relatief snel door zonder defect grafeen. Dr. Pengzhan Zon, de eerste auteur van het Nature-paper, merkte op:"Dit is een schokkend resultaat:een waterstofmolecuul is veel groter dan een heliumatoom. Als dit laatste er niet doorheen kan, hoe kunnen grotere moleculen in hemelsnaam."

Gebogen grafeen voor waterstofdissociatie

Het team schrijft de onverwachte waterstofpermeatie toe aan het feit dat grafeenmembranen niet helemaal vlak zijn, maar veel rimpels van nanometergrootte hebben. Die fungeren als katalytisch actieve gebieden en dissociëren geabsorbeerde moleculaire waterstof in twee waterstofatomen, een reactie die meestal enorm ongunstig is. Grafeenrimpelingen bevorderen de waterstofsplitsing, overeenstemming met de theorie. Vervolgens, de geadsorbeerde waterstofatomen kunnen relatief gemakkelijk naar de andere kant van de grafeenmembranen omslaan, vergelijkbaar met permeatie van protonen door defectvrij grafeen. Dit laatste proces was al eerder bekend en verklaard door het feit dat protonen subatomaire deeltjes zijn, klein genoeg om door het dichte kristalrooster van grafeen te persen.

"Het nieuwe resultaat ondersteunt (en geeft een verklaring voor) enkele van de eerdere rapporten in de literatuur over de onverwacht hoge katalytische activiteit van grafeen, wat bijzonder contra-intuïtief was vanwege de extreme inertie van zijn bulkouder, grafiet, ' zegt Geim.

"Ons werk biedt een basis om te begrijpen waarom grafeen als katalysator kan werken - iets dat verder onderzoek naar het gebruik van het materiaal in dergelijke toepassingen in de toekomst zou moeten stimuleren, " Dr. Sun voegt toe. "In zekere zin, grafeen nanorimpelingen gedragen zich als platinadeeltjes, waarvan ook bekend is dat ze moleculaire waterstof splitsen. Maar niemand had dit verwacht van schijnbaar inert grafeen."