Графен оказался проницаемым, но только для водорода

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

Так ранее считалось, что однослойный графен является непроницаемым абсолютно для всех жидкостей и газов. Но проведенные более точные измерения и опыты показали, что это утверждение 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.

Опыты с графеном

Графен под большим увеличением

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 вот в случае с водородом ученых ждал сюрприз.

Ход эксперимента

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.

Кривая зависимости вздутия мембраны от времени P. Z. Sun et al. / Nature, 2020

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

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

Для наблюдения был использован атомно-силовой микроскоп.

Атомно-силовой микроскоп

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.

Загадка взаимодействия водорода и графена

Для сравнения однослойный графен, который научились получать из мусора, 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).

Зависимость темпа проникновения водорода от температуры P. Z. Sun et al. / Nature, 2020

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. Удалось подсчитать энергетический барьер, который составил 1,0 электронвольт. Полученные данные в ходе эксперимента оказались существенно ниже, чем теоретические выкладки, выполненные ранее.

Почему атомы водорода так легко проникают через графен

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

Абстрактное изображение складок на графене при комнатной температуре

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 также 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 не открытых свойств, поэтому если вы хотите узнать о новых открытиях первыми, то обязательно поделитесь статьей. Спасибо за уделенное внимание и за то, что прочли до конца!