Исследователи из Национального института графена при Манчестерском университете и Пенсильванского университета выявили сверхбыстрые потоки газа через мельчайшие отверстия в мембранах толщиной в один атом в исследовании, опубликованном в журнале Science Advances.

Эта работа-наряду с еще одним исследованием Пенна по созданию таких нанопористых мембран-имеет перспективы для многих областей применения, от очистки воды и газа до мониторинга качества воздуха и сбора энергии.

В начале 20-го века известный датский физик Мартин Кнудсен сформулировал теории для описания газовых потоков. Появление новых систем с более узкими порами бросало вызов Кнудсеновским описаниям газовых потоков, но они оставались в силе, и было неизвестно, в какой точке уменьшающегося масштаба они могут потерпеть неудачу.

Манчестерская команда, возглавляемая профессором Радой Бойей, в сотрудничестве с командой Пенсильванского университета, возглавляемой профессором Марией Дрндич, впервые показала, что описание Кнудсена, по-видимому, верно на конечном атомном пределе.

Наука о двумерных (двумерных) материалах быстро развивается, и в настоящее время для исследователей стало обычным делом создавать мембраны толщиной в один атом. Группа профессора Дрндика в Пенсильвании разработала метод сверления отверстий шириной в один атом на монослое дисульфида вольфрама. Оставался, однако, один важный вопрос: проверить, проходят ли дыры атомного масштаба насквозь и проводят ли их, фактически не видя их вручную, одну за другой. Ранее единственным способом проверить наличие отверстий и их предполагаемый размер был осмотр их в электронном микроскопе высокого разрешения.

Команда профессора Бойи разработала методику измерения газовых потоков через атомные дыры и, в свою очередь, использовала поток в качестве инструмента для количественной оценки плотности дырок. Она сказала: "Хотя нет никаких сомнений в том, что видение-это вера, наука была в значительной степени ограничена тем, что могла видеть только атомные поры в причудливом микроскопе. Здесь у нас есть приборы, с помощью которых мы можем не только измерять потоки газа, но и использовать потоки в качестве ориентира для оценки того, сколько атомных дырок было в мембране для начала."

Джей Тирураман, один из первых авторов исследования, сказал: "возможность экспериментально достичь такого атомного масштаба и получить изображение этой структуры с точностью, чтобы вы могли быть более уверены, что это поры такого размера и формы, была сложной задачей."

Профессор Дрндик добавил: "Существует много физики устройств между поиском чего-то в лаборатории и созданием пригодной для использования мембраны. Это произошло с развитием технологии, а также нашей собственной методологии, и что является новым здесь, так это интеграция этого в устройство, которое вы действительно можете взять, транспортировать через океан, если хотите [в Манчестер], и измерить."

Доктор Ашок Кирти, другой ведущий автор из манчестерской команды, сказал: "ручное исследование образования атомных дыр на больших площадях мембраны является кропотливым и, вероятно, непрактичным. Здесь мы используем простой принцип: количество газа, которое пропускает мембрана, является мерой того, насколько она дырявая."

Полученные газовые потоки на несколько порядков больше, чем ранее наблюдавшиеся в литературе потоки в порах Ангстрем-масштаба. В этом исследовании была объединена и опубликована взаимно однозначная корреляция плотностей атомных апертур с помощью просвечивающей электронной микроскопии (измеренной локально) и газовых потоков (измеренных в больших масштабах). С дар, соавтор из Манчестера, добавил: "Удивительно, но нет никакого / минимального энергетического барьера для потока через такие крошечные отверстия."

Профессор Бойя добавил: "Теперь у нас есть надежный метод подтверждения образования атомных апертур на больших площадях с использованием газовых потоков, что является важным шагом для дальнейшего их перспективного применения в различных областях, включая молекулярное разделение, зондирование и мониторинг газов в сверхнизких концентрациях."

ИСТОЧНИК