曼彻斯特大学 这种可视化显示了用于膜的石墨烯层
学分:曼彻斯特大学 曼彻斯特大学的研究人员进行的新实验对石墨烯和其他二维材料对气体和液体的不渗透性做出了迄今为止最好的限制
这项工作还揭示了碳片可以作为氢分解的强有力的催化剂，这一发现预示着未来会有廉价和丰富的催化剂
石墨烯理论上拥有很高的原子和分子穿透能量，在室温下可以阻止任何气体和液体通过
事实上，由安德烈·海姆爵士领导的研究人员说，据估计，在环境条件下，要找到一个能量足够大的原子来穿透任何实际尺寸的无缺陷单层石墨烯，需要比宇宙的寿命更长的时间
这个假设得到了十多年前进行的真实世界实验的支持，实验发现一个原子厚的石墨烯比几微米厚的石英薄膜对刘贺m原子的渗透性更差
虽然薄膜比石墨烯厚100，000，但这仍然离理论极限很远
完美密封的容器 曼彻斯特团队开发了一种测量技术，这种技术对气体原子的渗透比任何已知方法都要敏感几十亿倍
在他们发表在《自然》杂志上的研究中，他们首先在石墨或氮化硼单晶上钻微米大小的井，并用一层一个原子厚的石墨烯薄膜覆盖
由于这些容器的顶面是原子级平坦的，盖子提供了完美的气密密封
原子和分子进入容器的唯一途径是通过石墨烯薄膜
膜本身是柔性的，对容器内压力的微小变化做出反应
研究人员随后将容器放入氦气中
如果原子进入或离开一个容器，容器内的气体压力会分别增加或减少，并使盖子的表面隆起一些小的距离
该团队使用原子力显微镜以埃的精度监测这些运动
安德烈·海姆爵士教授说:“新的结果支持了(并解释了)以前文献中关于石墨烯出乎意料的高催化活性的一些报告，这特别违反直觉，因为它的母体石墨极其惰性。”
就像“一公里厚的玻璃墙” 根据膜位置的变化，可以精确计算穿透石墨烯的原子或分子数量
研究人员发现，每小时只有不超过几个氦原子(如果有的话)进入或离开他们的容器
“这种灵敏度比之前的石墨烯不渗透性实验高八到九个数量级，而石墨烯不渗透性实验本身的灵敏度比现代氦检漏仪的检测极限高几个数量级
从长远来看，一个原子厚的碳比一公里厚的玻璃墙更不容易透过气体，”盖姆解释道
氦是所有气体中渗透最多的，因为它的原子相互作用微弱
尽管如此，研究人员决定用其他气体如氖、氮、氧、氩、氪、氙和氢重复他们的实验
除了氢之外，它们都没有显示出与氦相同精度的渗透
与所有其他材料相比，它相对快速地渗透到无缺陷的石墨烯中
医生
《自然》杂志论文的第一作者展鹏·孙评论说:“这是一个令人震惊的结果:一个氢分子比一个氦原子大得多
如果后者不能通过，那么更大的分子究竟如何通过呢
" 用于氢离解的弯曲石墨烯 该团队将意外的氢渗透归因于石墨烯薄膜并非完全平坦，而是有许多纳米大小的波纹
它们作为催化活性区域，将吸收的分子氢分解成两个氢原子，这种反应通常非常不利
石墨烯波纹有利于氢分裂，与理论一致
然后，吸附的氢原子可以相对容易地翻转到石墨烯膜的另一侧，类似于质子通过无缺陷石墨烯的渗透
后一种过程是已知的，并通过质子是亚原子粒子的事实来解释，这种粒子小到足以挤过石墨烯的致密晶格
“新的结果支持了(并解释了)以前文献中关于石墨烯出乎意料的高催化活性的一些报告，这尤其违反直觉，因为它的母体石墨极其惰性，”盖姆说
“我们的工作为理解为什么石墨烯可以作为催化剂提供了基础——这应该会刺激将来在这种应用中使用这种材料的进一步研究，”博士说
孙补充道
“从某种意义上来说，石墨烯纳米片的行为类似于铂颗粒，铂颗粒也可以分裂氢分子
但是没有人从看似惰性的石墨烯中预料到这一点
"
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