Grafeenballonnen om edelgassen te identificeren

Nieuw onderzoek door wetenschappers van de Technische Universiteit Delft en de Universiteit van Duisburg-Essen gebruikt de beweging van atomair dun grafeen om edelgassen te identificeren. Deze gassen zijn chemisch passief en reageren niet met andere materialen, waardoor het moeilijk is om ze op te sporen. De bevindingen worden gerapporteerd in het tijdschrift Nature Communications.

Grafeen is een uiteindelijk dun materiaal dat uit slechts één laag koolstofatomen bestaat. Door zijn atoomdikte is het een perfect filtermateriaal voor gassen en vloeistoffen: grafeen op zichzelf is niet doorlaatbaar, maar kleine perforaties maken het zeer doorlatend. Bovendien behoort het materiaal tot de sterkste bekende en is het bestand tegen hoge spanningen. Samen vormen deze twee eigenschappen de perfecte basis voor nieuwe soorten gassensoren.

Nano ballonnen

De wetenschappers gebruiken microscopisch kleine ballonnen gemaakt van dubbellaags grafeen (met een dikte van 0,7 nm), met zeer kleine nanoporiënperforaties met diameters tot 25 nm, om gassen te detecteren. Ze gebruiken een laser om het gas in de ballon te verwarmen en te laten uitzetten. Het gas onder druk ontsnapt dan door de perforatie. “Stel je een ballon voor die leegloopt als je de lucht eruit laat lopen”, zegt TU Delft-onderzoeker Irek Rosłoń. van een seconde – en interessant genoeg hangt de tijdsduur sterk af van het type gas en de grootte van de poriën. Helium, een licht gas met een hoge moleculaire snelheid, ontsnapt bijvoorbeeld vijf keer sneller dan krypton, een zwaar en langzaam bewegend gas.” De methode maakt het mogelijk om gassen te onderscheiden op basis van hun massa en moleculaire snelheid, waarvoor normaal gesproken grote massaspectrometers nodig zijn.

Gas pompen

De grafeenballonnen worden continu aangedreven door een optothermische kracht met hoge frequenties van 100 kHz, waardoor gas zeer snel in en uit wordt gepompt door de nanoporiën. De permeatie van het gas kan worden bestudeerd door te kijken naar de mechanische beweging van het grafeen. Bij lage pompfrequenties heeft het gas voldoende tijd om te ontsnappen en heeft het geen significante invloed op de beweging van het grafeen. Het membraan ondervindt echter een grote mate van weerstand bij verhoogde pompfrequenties, in het bijzonder wanneer de pompperiode overeenkomt met de typische tijd die het gas nodig heeft om de ballon te verlaten. “Door op verschillende frequenties te meten, kunnen we die piek in de weerstand vinden. De frequentie waarmee een piek wordt waargenomen, komt overeen met de permeatiesnelheid van het gas.”

De onderzoekers breidden dit idee uit om de gasstroom door nanokanalen te bestuderen. Door de ballon aan een lang kanaal te koppelen, kan het gas veel moeilijker ontsnappen. De toename van de leeglooptijd geeft experimenteel inzicht in de gasstroommechanica binnen de nanokanalen. Al met al laat dit werk zien hoe de buitengewone eigenschappen van grafeen kunnen worden gebruikt om gasdynamica op nanoschaal te bestuderen, en om nieuwe soorten sensoren en apparaten te ontwikkelen. Hierdoor kunnen kleine, goedkope en veelzijdige sensorapparaten in de toekomst de samenstelling van gasmengsels in industriële toepassingen of voor bewaking van de luchtkwaliteit bepalen.