Графенът се оказа пропусклив, но само за водород

Графенът е уникален материал, свойствата на който са толкова уникални, че много учени по света активно изучават материала.

Така че по-рано се смяташе, че еднослойният графен е непропусклив за абсолютно всички течности и газове. Но по-точните измервания и експерименти показаха, че това твърдение не е вярно. Поне за водородните атоми графенът е повече от пропусклив.

Най-вероятно тази аномалия е свързана с взаимодействието на точно водородни атоми с гънки, образувани върху еднослоен графен при стайна температура.

Експерименти с графен

Международна научна група, състояща се от специалисти от университетите в Манчестър и Ухан под ръководството на А. Game, проведе серия от експерименти.

В резултат на това те успяха да увеличат чувствителността на измерванията с 9 порядъка (в сравнение с експериментите на техните колеги).

И както показват тези изследвания, графенът с точност до няколко атома в час всъщност е непреодолимо препятствие за хелий, неон, азот, кислород, аргон, криптон и ксенон.

Но в случая с водорода учените очакваха изненада.

Напредък на експеримента

За провеждане на експериментите инженерите от научната група специално създадоха дупки в монокристален графит или борен нитрид с дълбочина приблизително 50 нанометра и след това плътно затвори "кладенците" с еднослоен филм от графен.

Получените по този начин контейнери се поставят в камери, където се изпомпват различни газове и се наблюдава вероятното проникване на газове в контейнерите през кривината на филма.

Тъй като обикновеният атмосферен въздух е затворен в контейнера и газовете отвън са в чиста форма, парциалното налягане върху филма от различни страни е различно.

Ако графенът е пропусклив за газове, след време той (газ) прониква в създадения контейнер, налягането там се увеличава и това би довело до подуване на филма.

За наблюдение е използван атомно-силов микроскоп.

По време на експеримента са използвани дузина контейнери, които са били в различни газове до месец.

В резултат на това учените установили, че през мембраната няма значителен поток, освен водород. При него се оказа по-интересно.

Загадката за взаимодействието на водорода и графена

За сравнение, еднослойният графен е по-малко пропусклив за атомите на хелий (който се счита за най-пъргавия от всички газове, за размера на сърцевината) от километров слой силициево стъкло (енергийна бариера по-голяма от 1.2 електрон-волт).

Както показаха измерванията, пропускливостта на графен за водород се оказа 2 * 10 ^ 10 частици в секунда на квадратен метър.

Допълнителни експерименти бяха проведени само с водород и беше възможно да се установи, че потокът се изменя експоненциално и според закона на Арениус. И беше възможно да се изчисли енергийната бариера, която беше 1.0 електрон волта. Данните, получени в хода на експеримента, се оказаха значително по-ниски от теоретичните изчисления, извършени по-рано.

Защо водородните атоми проникват толкова лесно в графена

Учените са изложили теория, според която гънките, присъстващи на графена (които винаги присъстват при стайна температура) водят до каталитичната дисоциация на молекулите на водорода.

И се оказва, че молекулата на водорода се разпада в атоми и се абсорбира от съществуващата гънка, а освободеният електрон се превръща в електрона за проводимост на графена.

Това означава, че по този начин трансформира водорода в протон (и както беше установено по-рано, графенът добре предава протоните).

След това образуваният протон „скача“ от другата страна на графеновия филм и след това се отлепя от него.

По този начин учените обясняват всички данни, получени експериментално. А също и преминаването на дейтрони през графеновия филм, които са измерени в други експерименти.

Учените публикуваха резултатите от своите изследвания в списаниетоПриродата.

Графенът е уникален материал, който все още има много неоткрити свойства, така че ако искате да научите първи за новите открития, не забравяйте да се абонирате и да харесате статията.

Благодаря ви за вниманието и четенето до края!