Graphen erwies sich als durchlässig, jedoch nur für Wasserstoff
Graphen ist ein einzigartiges Material, dessen Eigenschaften so einzigartig sind, dass viele Wissenschaftler auf der ganzen Welt das Material aktiv untersuchen.
Daher wurde früher angenommen, dass einschichtiges Graphen für absolut alle Flüssigkeiten und Gase undurchlässig ist. Genauere Messungen und Experimente haben jedoch gezeigt, dass diese Aussage nicht wahr ist. Zumindest für Wasserstoffatome ist Graphen mehr als durchlässig.
Diese Anomalie ist höchstwahrscheinlich mit der Wechselwirkung von genau Wasserstoffatomen mit Falten verbunden, die bei Raumtemperatur auf einschichtigem Graphen gebildet werden.
Experimente mit Graphen
Eine internationale wissenschaftliche Gruppe bestehend aus Spezialisten der Universitäten von Manchester und Wuhan unter der Leitung von A. Spiel, führte eine Reihe von Experimenten.
Infolgedessen gelang es ihnen, die Empfindlichkeit von Messungen um 9 Größenordnungen zu erhöhen (im Vergleich zu den Experimenten ihrer Kollegen).
Und wie diese Studien gezeigt haben, ist Graphen mit einer Genauigkeit von einigen Atomen pro Stunde tatsächlich ein unüberwindbares Hindernis für Helium, Neon, Stickstoff, Sauerstoff, Argon, Krypton und Xenon.
Aber im Fall von Wasserstoff waren die Wissenschaftler überrascht.
Experimentierfortschritt
Zur Durchführung der Experimente haben die Ingenieure der wissenschaftlichen Gruppe speziell Löcher in monokristallinen Graphit oder Bornitrid mit einer Tiefe von ungefähr 50 Nanometern und schloss dann die "Vertiefungen" fest mit einem einschichtigen Film aus Graphen.
Die auf diese Weise erhaltenen Behälter wurden in Kammern gebracht, in die verschiedene Gase eingepumpt wurden, und das wahrscheinliche Eindringen von Gasen in die Behälter wurde durch Krümmen des Films überwacht.
Da gewöhnliche atmosphärische Luft in dem Behälter eingeschlossen ist und die Gase außerhalb in reiner Form vorliegen, ist der Partialdruck auf den Film von verschiedenen Seiten unterschiedlich.
Wenn Graphen für Gase durchlässig wäre, dann würde es (Gas) mit der Zeit in den erzeugten Behälter eindringen, der Druck dort würde zunehmen und dies würde zum Quellen des Films führen.
Zur Beobachtung wurde ein Rasterkraftmikroskop verwendet.
Während des Versuchs wurden ein Dutzend Behälter verwendet, die sich bis zu einem Monat in verschiedenen Gasen befanden.
Als Ergebnis stellten die Wissenschaftler fest, dass außer Wasserstoff kein signifikanter Fluss durch die Membran vorhanden war. Es stellte sich heraus, dass es für ihn interessanter war.
Das Rätsel der Wechselwirkung von Wasserstoff und Graphen
Zum Vergleich: Einschichtiges Graphen ist für Heliumatome weniger durchlässig (was als das "flinkste" aller Gase angesehen wird, z die Größe des Kerns) als eine kilometergroße Schicht aus Quarzglas (Energiebarriere größer als 1,2 Elektronenvolt).
Wie Messungen zeigten, betrug die Permeabilität von Graphen für Wasserstoff 2 · 10 & supmin; & sup4; Teilchen pro Sekunde pro Quadratmeter.
Weitere Experimente wurden nur mit Wasserstoff durchgeführt und es konnte festgestellt werden, dass sich der Fluss exponentiell und gemäß dem Arrhenius-Gesetz ändert. Und es war möglich, die Energiebarriere zu berechnen, die 1,0 Elektronenvolt betrug. Die im Verlauf des Experiments erhaltenen Daten erwiesen sich als signifikant niedriger als die zuvor durchgeführten theoretischen Berechnungen.
Warum Wasserstoffatome so leicht in Graphen eindringen
Wissenschaftler haben eine Theorie aufgestellt, nach der die auf Graphen vorhandenen Falten (die immer bei Raumtemperatur vorhanden sind) zur katalytischen Dissoziation von Wasserstoffmolekülen führen.
Und es stellt sich heraus, dass sich das Wasserstoffmolekül in Atome zersetzt und von der vorhandenen Falte absorbiert wird und das freigesetzte Elektron zum Leitungselektron von Graphen wird.
Das heißt, Wasserstoff wird in ein Proton umgewandelt (und wie bereits festgestellt, überträgt Graphen Protonen gut).
Dann "springt" das gebildete Proton auf die andere Seite des Graphenfilms und schält sich dann von diesem ab.
Auf diese Weise erklären Wissenschaftler alle experimentell erhaltenen Daten. Und auch der Durchgang von Deuteronen durch den Graphenfilm, die in anderen Experimenten gemessen wurden.
Die Wissenschaftler veröffentlichten die Ergebnisse ihrer Forschung in der ZeitschriftNatur.
Graphen ist ein einzigartiges Material, das noch viele unentdeckte Eigenschaften aufweist. Wenn Sie also als Erster von neuen Entdeckungen erfahren möchten, sollten Sie den Artikel unbedingt abonnieren und mögen.
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit und für das Lesen bis zum Ende!