Nieuw onderzoek door wetenschappers van de Technische Universiteit Delft en de Universiteit van Duisburg-Essen gebruikt de beweging van atomair dun grafeen om edelgassen te identificeren. Deze gassen zijn chemisch passief en reageren niet met andere materialen, waardoor het een uitdaging is om ze te detecteren. De bevindingen worden gerapporteerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Grafeen is een uiterst dun materiaal dat uit slechts één laag koolstofatomen bestaat. De atomaire dikte maakt het een perfect filtermateriaal voor gassen en vloeistoffen:grafeen is op zichzelf niet doorlaatbaar, maar kleine perforaties maken het zeer doorlatend. Bovendien, het materiaal behoort tot de sterkst bekende en is bestand tegen hoge belastingen. Samen, deze twee eigenschappen vormen de perfecte basis voor nieuwe typen gassensoren.

Nano ballonnen

De wetenschappers gebruiken microscopisch kleine ballonnen gemaakt van dubbellaags grafeen (met een dikte van 0,7 nm), met zeer kleine nanoporiën perforaties met een diameter tot 25 nm, gassen op te sporen. Ze gebruiken een laser om het gas in de ballon te verwarmen en te laten uitzetten. Het gas onder druk ontsnapt dan door de perforatie. "Stel je een ballon voor die leegloopt als je de lucht eruit laat lopen, " zegt TU Delft-onderzoeker Irek Rosłoń, "We meten de tijd die de ballon nodig heeft om leeg te lopen. Op zo'n kleine schaal, dit gebeurt heel snel - binnen ongeveer 1/100.000ste van een seconde - en interessant genoeg de tijdsduur is sterk afhankelijk van het type gas en de grootte van de poriën. bijvoorbeeld helium, een licht gas met een hoge moleculaire snelheid, ontsnapt vijf keer sneller dan krypton, een zwaar en langzaam bewegend gas." De methode maakt het mogelijk om gassen te onderscheiden op basis van hun massa en moleculaire snelheid, waarvoor normaal grote massaspectrometers nodig zijn.

Gas pompen

De grafeenballonnen worden continu aangedreven door een optothermische kracht bij hoge frequenties van 100 kHz, waardoor gas zeer snel in en uit de nanoporiën wordt gepompt. De permeatie van het gas kan worden bestudeerd door te kijken naar de mechanische beweging van het grafeen. Bij lage pompfrequenties, het gas heeft voldoende tijd om te ontsnappen en heeft geen significante invloed op de beweging van het grafeen. Echter, het membraan ondervindt een grote hoeveelheid weerstand bij verhoogde pompfrequenties, in het bijzonder wanneer de pompperiode overeenkomt met de typische tijd die het gas nodig heeft om de ballon te verlaten. "Door bij verschillende frequenties te meten, we kunnen die piek in de weerstand vinden. De frequentie waarmee een piek wordt waargenomen komt overeen met de permeatiesnelheid van het gas."

De onderzoekers breidden dit idee uit om de gasstroom door nanokanalen te bestuderen. Door de ballon op een lang kanaal aan te sluiten, wordt het veel moeilijker voor het gas om te ontsnappen. De toename van de deflatietijd geeft experimenteel inzicht in de gasstroommechanica binnen de nanokanalen. Allemaal samen, dit werk laat zien hoe de buitengewone eigenschappen van grafeen kunnen worden gebruikt om gasdynamica op nanoschaal te bestuderen, evenals om nieuwe soorten sensoren en apparaten te ontwikkelen. In de toekomst, dit kan kleine, goedkope en veelzijdige sensorapparaten voor het bepalen van de samenstelling van gasmengsels in industriële toepassingen of voor monitoring van de luchtkwaliteit.