Onderzoekers van het National Graphene Institute van de Universiteit van Manchester en de Universiteit van Pennsylvania hebben ultrasnelle gasstromen geïdentificeerd door de kleinste gaatjes in één-atoom-dunne membranen, in een studie gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

Het werk - naast een andere studie van Penn over het maken van dergelijke nanoporeuze membranen - is veelbelovend voor tal van toepassingsgebieden, van water- en gaszuivering tot monitoring van luchtkwaliteit en energiewinning.

In het begin van de 20e eeuw, De bekende Deense natuurkundige Martin Knudsen formuleerde theorieën om gasstromen te beschrijven. Opkomende nieuwe systemen met smallere poriën daagden de Knudsen-beschrijvingen van gasstromen uit, maar ze bleven geldig en het was onbekend op welk punt van afnemende schaal ze zouden kunnen falen.

Het Manchester-team, geleid door professor Radha Boya, in samenwerking met het team van de Universiteit van Pennsylvania, onder leiding van professor Marija Drndic - heeft voor het eerst aangetoond dat de beschrijving van Knudsen waar lijkt te zijn bij de ultieme atoomlimiet.

De wetenschap van tweedimensionale (2-D)-materialen vordert snel en het is nu routine voor onderzoekers om één-atoom-dunne membranen te maken. Professor Drndic's groep in Pennsylvania ontwikkelde een methode om gaten te boren, een atoom breed, op een monolaag van wolfraamdisulfide. Een belangrijke vraag bleef, hoewel:om te controleren of de gaten op atomaire schaal door en geleidend waren, zonder ze echt handmatig te zien, een voor een. De enige manier om eerder te bevestigen of de gaten aanwezig waren en de beoogde grootte hadden, was om ze te inspecteren in een hoge resolutie elektronenmicroscoop.

Professor Boya's team ontwikkelde een techniek om gasstromen door atoomgaten te meten, en op zijn beurt de stroom gebruiken als een hulpmiddel om de gatdichtheid te kwantificeren. Ze zei:"Hoewel het buiten twijfel staat dat zien geloven is, de wetenschap is vrijwel beperkt geweest door alleen de atomaire poriën in een mooie microscoop te kunnen zien. Hier hebben we apparaten waarmee we niet alleen gasstromen kunnen meten, maar gebruik de stromen ook als richtlijn om te schatten hoeveel atoomgaten er in het membraan waren om mee te beginnen."

J Thiruraman, de co-eerste auteur van de studie, zei:"In staat zijn om die atomaire schaal experimenteel te bereiken, en om die structuur met precisie af te beelden, zodat je er zekerder van kunt zijn dat het een porie van die grootte en vorm is, was een uitdaging."

Professor Drndic voegde toe:"Er is veel apparaatfysica tussen het vinden van iets in een laboratorium en het creëren van een bruikbaar membraan. Dat kwam met de vooruitgang van de technologie en onze eigen methodologie, en wat hier nieuw is, is om dit te integreren in een apparaat dat je er echt uit kunt halen, transport over de oceaan als je wilt [naar Manchester], en meten."

Dr. Ashok Keerthi, een andere hoofdauteur van het Manchester-team, zei:"Handmatige inspectie van de vorming van atomaire gaten over grote gebieden op een membraan is nauwgezet en waarschijnlijk onpraktisch. Hier gebruiken we een eenvoudig principe, de hoeveelheid gas die het membraan doorlaat, is een maatstaf voor hoe hol het is."

De bereikte gasstromen zijn enkele orden van grootte groter dan eerder waargenomen stromen in poriën op angströmschaal in de literatuur. Een één-op-één correlatie van atomaire apertuurdichtheden door transmissie-elektronenmicroscopiebeeldvorming (lokaal gemeten) en van gasstromen (gemeten op grote schaal) werd door deze studie gecombineerd en gepubliceerd door het team. S Dar, een co-auteur uit Manchester voegde toe:"Verrassend genoeg is er geen/minimale energiebarrière voor de stroom door zulke kleine gaatjes."

Professor Boya voegde toe:"We hebben nu een robuuste methode om de vorming van atomaire openingen over grote gebieden te bevestigen met behulp van gasstromen, wat een essentiële stap is voor het nastreven van hun toekomstige toepassingen in verschillende domeinen, waaronder moleculaire scheiding, detectie en monitoring van gassen bij ultra-lage concentraties."