Ukázalo sa, že grafén je priepustný, ale iba pre vodík

Grafén je jedinečný materiál, ktorého vlastnosti sú také jedinečné, že mnoho vedcov po celom svete tento materiál aktívne študuje.

Predtým sa teda verilo, že jednovrstvový grafén je nepriepustný pre absolútne všetky kvapaliny a plyny. Presnejšie merania a experimenty ale preukázali, že toto tvrdenie nie je pravdivé. Aspoň pre atómy vodíka je grafén viac ako priepustný.

S najväčšou pravdepodobnosťou je táto anomália spojená s interakciou presných atómov vodíka so záhybmi vytvorenými na jednovrstvovom graféne pri izbovej teplote.

Pokusy s grafénom

Medzinárodná vedecká skupina zložená zo špecialistov z univerzít v Manchestri a Wu-chane pod vedením A. Game, uskutočnil sériu experimentov.

Vďaka tomu dokázali zvýšiť citlivosť merania o 9 rádov (v porovnaní s experimentmi ich kolegov).

A ako tieto štúdie preukázali, grafén je s presnosťou na pár atómov za hodinu skutočne neprekonateľnou prekážkou pre hélium, neón, dusík, kyslík, argón, kryptón a xenón.

V prípade vodíka však vedcov čakalo prekvapenie.

Pokrok experimentu

Na uskutočnenie experimentov inžinieri vedeckej skupiny špeciálne vytvorili otvory v monokryštalickom grafite alebo nitrid bóru s hĺbkou približne 50 nanometrov, a potom „jamky“ pevne uzavrel jednovrstvovým filmom grafén.

Takto získané nádoby boli umiestnené do komôr, kde boli načerpané rôzne plyny, a bolo sledované pravdepodobné prenikanie plynov do nádob cez zakrivenie fólie.

Pretože v nádobe je utesnený bežný atmosférický vzduch a plyny vonku sú v čistej forme, je parciálny tlak na fóliu z rôznych strán odlišný.

Pokiaľ bol grafén priepustný pre plyny, potom v priebehu času (plyn) prenikol do vytvorenej nádoby, zvýšil sa tam tlak a to by viedlo k napučaniu filmu.

Na pozorovanie sa použil mikroskop s atómovou silou.

Počas experimentu bol použitý tucet nádob, ktoré boli až mesiac v rôznych plynoch.

Výsledkom bolo, že vedci zistili, že membránou okrem vodíka nedochádza k významnému toku. Ukázalo sa to s ním zaujímavejšie.

Hádanka o interakcii vodíka a grafénu

Pre porovnanie, jednovrstvový grafén je menej priepustný pre atómy hélia (čo sa považuje za najchudobnejšie zo všetkých plynov, napríklad veľkosť jadra) ako kilometrová vrstva kremičitého skla (energetická bariéra väčšia ako 1,2 elektrón-volt).

Merania ukázali, že permeabilita grafénu pre vodík sa ukázala byť 2 x 10 ^ 10 častíc za sekundu na meter štvorcový.

Ďalšie experimenty sa uskutočňovali iba s vodíkom a bolo možné zistiť, že tok sa mení exponenciálne a podľa Arrheniovho zákona. A bolo možné vypočítať energetickú bariéru, ktorá bola 1,0 elektrónvoltu. Ukázalo sa, že údaje získané v priebehu experimentu boli výrazne nižšie ako teoretické výpočty vykonané skôr.

Prečo atómy vodíka tak ľahko prenikajú do grafénu

Vedci predložili teóriu, podľa ktorej záhyby prítomné na graféne (ktoré sú vždy prítomné pri izbovej teplote) vedú k katalytickej disociácii molekúl vodíka.

A ukázalo sa, že molekula vodíka sa rozkladá na atómy a je absorbovaná existujúcim záhybom a uvoľnený elektrón sa stáva vodivým elektrónom grafénu.

To znamená, že teda transformuje vodík na protón (a ako už bolo známe, grafén dobre prenáša protóny).

Potom vytvorený protón „preskočí“ na druhú stranu grafénového filmu a potom sa z neho odlepí.

Takto vedci vysvetľujú všetky experimentálne získané údaje. A tiež prechod deuterónov cez grafénový film, ktoré sa merali pri iných experimentoch.

Vedci zverejnili výsledky svojho výskumu v časopisePríroda.

Grafén je jedinečný materiál, ktorý si stále zachováva mnoho neobjavených vlastností, takže ak chcete byť o nových objavoch ako prví informovaní, nezabudnite sa prihlásiť na odber a článok sa vám bude páčiť.

Ďakujem za pozornosť a za prečítanie až do konca!