Графен оказался проницаемым, но только для водорода

Графен – это уникальный материал, свойства которого настолько уникальны, что многие ученые по всему миру занимаются активным изучением материала.

Так ранее считалось, что однослойный графен является непроницаемым абсолютно для всех жидкостей и газов. Но проведенные более точные измерения и опыты показали, что утверждение это не верно. По крайней мере для атомов водорода графен более чем проницаем.

Вероятнее всего эта аномалия связана с взаимодействием именно атомов водорода со складками, образующимися на однослойном графене при комнатной температуре.

Графен оказался проницаемым, но только для водорода

Международная научная группа, состоящая из специалистов Манчестерского и Уханьского университетов под руководством А. Гейма, провела целую серию экспериментов.

В результате им удалось увеличить чувствительность измерений на 9 порядков (в сравнении с опытами своих коллег).

И как показали эти исследования графен с точностью до пары атомов в час на самом деле является непреодолимой преградой для гелия, неона, азота, кислорода, аргона, криптона и ксенона.

Но в случае с водородом ученых ждал сюрприз.

Для выполнения опытов инженеры научной группы специально создавали отверстия в монокристаллическом графите или же нитриде бора глубиной приблизительно в 50 нанометров, а далее плотно закрывали «колодцы» однослойной пленкой из графена.

Полученные таким образом емкости помещали в камеры, куда закачивали различные газы и следили за вероятным проникновением в контейнеры газов по искривлению пленки.

Графен оказался проницаемым, но только для водорода

Так как в контейнере запечатан обычный атмосферный воздух, а снаружи газы в чистом виде, то парциальное давление на пленку с разных сторон различное.

Если бы графен был проницаем для газов, то он (газ) с течением времени проникал в созданный контейнер, давление там возрастало и это приводило бы к вздутию пленки.

Для наблюдения был использован атомно-силовой микроскоп.

Графен оказался проницаемым, но только для водорода

В ходе эксперимента была использована дюжина контейнеров, которые находились в различных газах до месяца.

В результате ученые установили, что не было замечено сколь либо существенного потока через мембрану за исключением водорода. Вот с ним оказалось все интересней.

Для сравнения однослойный графен менее проницаем для атомов гелия (который считается самым «проворным» из всех газов, за счет размера ядра), чем слой кварцевого стекла величиной в километр (энергетический барьер равен более 1,2 электронвольт).

Графен оказался проницаемым, но только для водорода

Как показали измерения проницаемость графена водородом оказалась равна 2*10^10 частиц в одну секунду на метр квадратный.

Дальше опыты проводились только с водородом и удалось выяснить, что поток изменяется экспоненциально и согласно закону Аррениуса. И удалось подсчитать энергетический барьер, который составил 1,0 электронвольт. Полученные данные в ходе эксперимента оказались существенно ниже, чем теоретические выкладки, выполненные ранее.

Ученые выдвинули теорию, согласно которой присутствующие на графене складки (которые есть всегда при комнатной температуре) приводят к каталитической диссоциации молекул водорода.

Графен оказался проницаемым, но только для водорода

И получается, что молекула водорода распадается на атомы и поглощается наличествующей складкой, а освободившийся электрон становится электроном проводимости графена.

То есть таким образом трансформируя водород в протон (а как было ранее установлено графен хорошо пропускает протоны).

Затем образованный протон «перескакивает» на другую сторону графеновой пленки и затем отклеивается от нее.

Именно так объясняют ученые все полученные экспериментальным путем данные. А так же прохождение через пленку графена дейтронов, которые были измерены в ходе других экспериментов.

Результаты своих исследований ученые опубликовали в журнале Nature.

Графен – это уникальный материал, который хранит еще много неоткрытых свойств, поэтому если вы хотите узнать о новых открытиях первыми, то обязательно подпишитесь и поставьте лайк статье.

Спасибо за уделенное внимание и за то, что прочли до конца!