![Onderzoekers identificeren ultrasnelle gasstromen door openingen op atomaire schaal in 2D-membraan en valideren een eeuwenoude vergelijking van vloeistofdynamica. Krediet: N Hassani & amp; M N-Amal, Shahid Rajee University Ultrasnel gas stroomt door de kleinste gaatjes in 2D-membranen](https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800/2020/ultrafastgas.jpg)
Onderzoekers identificeren ultrasnelle gasstromen door openingen op atomaire schaal in 2D-membraan en valideren een eeuwenoude vergelijking van vloeistofdynamica. Krediet: N Hassani en M N-Amal, Shahid Rajee University
Onderzoekers van het National Graphene Institute van de University of Manchester en de University of Pennsylvania hebben ultrasnelle gasstromen geïdentificeerd door de kleinste gaatjes in membranen van één atoom dun, in een studie gepubliceerd in Science Advances.
Het werk – naast een andere studie van Penn over het creëren van dergelijke nanoporeuze membranen – is veelbelovend voor tal van toepassingsgebieden, van water- en gaszuivering tot monitoring van de luchtkwaliteit en energieopwekking.
In het begin van de 20e eeuw formuleerde de beroemde Deense natuurkundige Martin Knudsen theorieën om gasstromen te beschrijven. Opkomende nieuwe systemen met smallere poriën daagden de Knudsen-beschrijvingen van gasstromen uit, maar ze bleven geldig en het was onbekend op welk punt van afnemende schaal ze zouden kunnen falen.
Het Manchester-team – onder leiding van professor Radha Boya, in samenwerking met het team van de University of Pennsylvania, onder leiding van professor Marija Drndic – heeft voor het eerst aangetoond dat Knudsen’s beschrijving klopt bij de ultieme atoomgrens.
De wetenschap van tweedimensionale (2-D) materialen vordert snel en het is nu routine voor onderzoekers om membranen van één atoom dun te maken. De groep van professor Drndic in Pennsylvania ontwikkelde een methode om gaten van één atoom breed te boren op een monolaag van wolfraamdisulfide. Er bleef echter een belangrijke vraag: controleren of de gaten op atomaire schaal erdoorheen waren en geleidend, zonder ze een voor een handmatig te zien. De enige manier om eerder te bevestigen of de gaten aanwezig waren en van de beoogde grootte, was door ze te inspecteren met een hoge resolutie elektronenmicroscoop.
Het team van professor Boya ontwikkelde een techniek om gasstromen door atoomgaten te meten en op zijn beurt de stroming te gebruiken als een hulpmiddel om de gatdichtheid te kwantificeren. Ze zei: “Hoewel het buiten twijfel staat dat zien is geloven, is de wetenschap zo goed als beperkt gebleven doordat we alleen de atomaire poriën in een mooie microscoop konden zien. Hier hebben we apparaten waardoor we niet alleen gasstromen kunnen meten, maar ook gebruik de stromen ook als richtlijn om in te schatten hoeveel atomaire gaten er in het membraan zaten om mee te beginnen. “
J Thiruraman, de co-eerste auteur van de studie, zei: “In staat zijn om die atomaire schaal experimenteel te bereiken, en om de beeldvorming van die structuur met precisie te hebben, zodat je er zekerder van kunt zijn dat het een porie is van die grootte en vorm, was een uitdaging.”
Professor Drndic voegde toe: “Er zit veel apparaatfysica tussen het vinden van iets in een laboratorium en het maken van een bruikbaar membraan. Dat kwam met de vooruitgang van de technologie en onze eigen methodologie, en wat hier nieuw is, is om dit in een apparaat te integreren. die je echt kunt meenemen, vervoer over de oceaan als je dat wilt [to Manchester], en meten. “
Dr. Ashok Keerthi, een andere hoofdauteur van het Manchester-team, zei: “Handmatige inspectie van de vorming van atomaire gaten over grote gebieden op een membraan is nauwgezet en waarschijnlijk onpraktisch. Hier gebruiken we een eenvoudig principe, de hoeveelheid gas die het membraan bevat. doorlaat is een maatstaf voor hoe holey het is. “
De bereikte gasstromen zijn verscheidene ordes van grootte groter dan eerder waargenomen stromingen in poriën op Angstrom-schaal in de literatuur. Een één-op-één correlatie van atomaire apertuurdichtheden door middel van transmissie-elektronenmicroscopie beeldvorming (lokaal gemeten) en van gasstromen (gemeten op grote schaal) werd gecombineerd door deze studie en gepubliceerd door het team. S Dar, een co-auteur uit Manchester, voegde toe: “Verrassend genoeg is er geen / minimale energiebarrière voor de stroom door zulke kleine gaatjes.”
Professor Boya voegde toe: “ We hebben nu een robuuste methode om de vorming van atomaire openingen over grote gebieden te bevestigen met behulp van gasstromen, wat een essentiële stap is voor het nastreven van hun toekomstige toepassingen in verschillende domeinen, waaronder moleculaire scheiding, detectie en monitoring van gassen op ultra- lage concentraties. ”
Gasstroom door openingen op atomaire schaal, Science Advances (2020). DOI: 10.1126 / sciadv.abc7927 , advances.sciencemag.org/lookup… .1126 / sciadv.abc7927
Science Advances
Geleverd door University of Pennsylvania