Grafeen bleek permeabel te zijn, maar alleen voor waterstof

Grafeen is een uniek materiaal waarvan de eigenschappen zo uniek zijn dat veel wetenschappers over de hele wereld het materiaal actief bestuderen.

Eerder werd dus aangenomen dat grafeen uit één laag ondoordringbaar is voor absoluut alle vloeistoffen en gassen. Maar nauwkeurigere metingen en experimenten hebben aangetoond dat deze bewering niet waar is. Voor waterstofatomen is grafeen in ieder geval meer dan permeabel.

Hoogstwaarschijnlijk wordt deze anomalie geassocieerd met de interactie van precies waterstofatomen met plooien gevormd op enkellaags grafeen bij kamertemperatuur.

Experimenten met grafeen

Een internationale wetenschappelijke groep bestaande uit specialisten van de universiteiten van Manchester en Wuhan onder leiding van A. Game, voerde een reeks experimenten uit.

Daardoor wisten ze de gevoeligheid van metingen met 9 ordes van grootte te verhogen (in vergelijking met de experimenten van hun collega's).

En zoals deze onderzoeken hebben aangetoond, is grafeen, met een nauwkeurigheid van een paar atomen per uur, eigenlijk een onoverkomelijk obstakel voor helium, neon, stikstof, zuurstof, argon, krypton en xenon.

Maar in het geval van waterstof stonden de wetenschappers voor een verrassing.

Experimenteer met de voortgang

Om de experimenten uit te voeren, hebben de ingenieurs van de wetenschappelijke groep speciaal gaten gemaakt in monokristallijn grafiet of boornitride met een diepte van ongeveer 50 nanometer, en vervolgens de 'putten' goed gesloten met een enkellaagse film van grafeen.

De op deze manier verkregen containers werden in kamers geplaatst, waar verschillende gassen werden ingepompt, en de waarschijnlijke penetratie van gassen in de containers werd gevolgd door de film te buigen.

Omdat gewone atmosferische lucht in de container is verzegeld en de gassen buiten in zuivere vorm zijn, is de partiële druk op de film van verschillende kanten anders.

Als grafeen doorlaatbaar was voor gassen, dan drong het (gas) na verloop van tijd in de gecreëerde container door, de druk daar nam toe, en dit zou leiden tot het opzwellen van de film.

Voor observatie werd een atoomkrachtmicroscoop gebruikt.

Tijdens het experiment werden een tiental containers gebruikt die tot een maand in verschillende gassen zaten.

Als resultaat ontdekten de wetenschappers dat er geen significante flux door het membraan was, behalve waterstof. Het bleek bij hem interessanter te zijn.

Het raadsel van de interactie tussen waterstof en grafeen

Ter vergelijking: enkellaags grafeen is minder permeabel voor heliumatomen (dat wordt beschouwd als het meest 'wendbare' van alle gassen, de grootte van de kern) dan een kilometer grote laag silicaglas (de energiebarrière is groter dan 1,2 electron-volt).

Zoals metingen hebben aangetoond, bleek de permeabiliteit van grafeen voor waterstof 2 * 10 ^ 10 deeltjes per seconde per vierkante meter te zijn.

Verdere experimenten werden alleen met waterstof uitgevoerd en het was mogelijk om erachter te komen dat de flux exponentieel en volgens de wet van Arrhenius verandert. En het was mogelijk om de energiebarrière te berekenen, die 1,0 elektron volt was. De gegevens die in de loop van het experiment werden verkregen, bleken significant lager dan de eerder uitgevoerde theoretische berekeningen.

Waarom waterstofatomen zo gemakkelijk grafeen binnendringen

Wetenschappers hebben een theorie naar voren gebracht volgens welke de plooien die aanwezig zijn op grafeen (die altijd aanwezig zijn bij kamertemperatuur) leiden tot de katalytische dissociatie van waterstofmoleculen.

En het blijkt dat het waterstofmolecuul uiteenvalt in atomen en wordt geabsorbeerd door de bestaande vouw, en het vrijgekomen elektron wordt het geleidingselektron van grafeen.

Dat wil zeggen, waardoor waterstof wordt omgezet in een proton (en zoals eerder werd vastgesteld, draagt ​​grafeen protonen goed door).

Dan "springt" het gevormde proton naar de andere kant van de grafeenfilm en pelt er dan af.

Dit is hoe wetenschappers alle verkregen gegevens experimenteel verklaren. En ook de passage van deuteronen door de grafeenfilm, die werden gemeten in andere experimenten.

De wetenschappers publiceerden de resultaten van hun onderzoek in het tijdschriftNatuur.

Grafeen is een uniek materiaal dat nog steeds veel onontdekte eigenschappen bevat, dus als je eerst iets wilt weten over nieuwe ontdekkingen, abonneer je dan en vind het artikel leuk.

Bedankt voor je aandacht en voor het lezen tot het einde!