石墨烯有助于研究纳米级的气体动力学

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设备几何形状和气体排放路径图像的示意图设备几何形状和气体排放路径的示意图。图片来自《自然通讯》

代尔夫特理工大学和杜伊斯堡-埃森大学的科学家已经使用石墨烯的运动来识别稀有气体。这些气体是化学惰性气体,不会与其他物质发生反应,这使得检测它们具有挑战性。


石墨烯的原子厚度使其成为气体和液体的理想过滤材料:石墨烯本身不具有渗透性,但小孔使其具有很高的渗透性。此外,该材料是已知最坚固的材料,可以承受高应力。这两个特征共同为新型气体传感器提供了完美的基础。

科学家使用了由双层石墨烯(厚度为0.7 nm)制成的微型气球,该气球具有直径小至25 nm的非常小的纳米孔穿孔,可以检测气体。他们使用激光加热气球内部的气体并使之膨胀。然后,加压气体通过穿孔逸出。TU Delft的研究人员IrekRosłoń说:“为气球放出空气后放气的气球拍照,我们测量气球放气的时间。在这么小的范围内,发生的速度非常快-大约在1 / 100.000之内十分之一秒(有趣的是,时间的长短在很大程度上取决于气体的类型和孔的大小),例如氦气,一种具有高分子速度的轻气体,其逸出速度比faster快五倍,而,却缓慢而缓慢地移动加油站。”

石墨烯气球在100 kHz的高频率下由光热力连续驱动,从而使气体非常迅速地通过纳米孔泵入和泵出。可以通过观察石墨烯的机械运动来研究气体的渗透。在低抽气频率下,气体有大量时间逸出,并且不会显着影响石墨烯的运动。然而,膜在增加的泵送频率下经历大量的阻力,特别是当泵送的周期对应于气体离开气球所花费的典型时间时。“通过在各种频率下进行测量,我们可以在阻力中找到该峰值。观察到峰值的频率对应于气体的渗透速度。”

研究人员将这个想法扩展到研究通过纳米通道的气流。将气球连接到长通道会使气体更难逸出。放气时间的增加使实验洞察了纳米通道内的气体流动机理。


这项工作表明了石墨烯的非凡性能如何可用于研究纳米级的气体动力学,以及如何设计新型的传感器和设备。将来,这将使小型,低成本,多功能传感器设备能够确定工业应用或空气质量监测中气体混合物的成分。


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