今日Nature:诺奖得主 力挺石墨烯!
小纳米 纳米人 2020-03-12

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第一作者:P. Z. Sun

通讯作者:S. J.Yuan, A. K. Geim

通讯单位:曼彻斯特大学

 

研究亮点:

1. 实验拓展了无缺陷石墨烯对气体不可透过性的极限。

2. 揭示了氢气在石墨烯中的异常透过性机理。

 

古人云,千里马常有,而伯乐不常有。正所谓天生我材必有用,你不会用,并不代表它没有用。


石墨烯以诺奖之尊,近来备受毁誉,掺鸟屎者有之,拿国际大奖者亦有之,可谓四面楚歌,压力甚大。无论如何,各位还是要坚守本心。一方面,要多做踏实的研究,不要把好材料做烂了。另一方面,也不要听了好事者所言,半途而废,自我怀疑。


今天,石墨烯之父,英国曼彻斯特大学诺奖得主A. K. Geim团队在Nature发文,在石墨烯基础研究领域再次获得新突破。下面做简要介绍,希望对相关领域研究人员有所启发。

 

以单层石墨烯为代表的无缺陷二维材料,虽然只有一个原子层的厚度,却被认为不具有气体和液体透过性。

 

从理论上而言:

DFT计算表明,单层石墨烯对原子和分子的透过性具有非常高的能垒,至少几个电子伏。因此,在常规条件下任何气体都不能透过无缺陷的单层石墨烯。在室温下,一个原子想要透过一张没有缺陷的膜,其花费的时间将比宇宙的历史还要漫长。

 

从实验上而言:

以机械剥离的石墨烯为例,在氧化硅晶圆上刻蚀的微米级孔,并用石墨烯密封,以研究气体的透过性。结果表明,没有发现任何气体透过的现象,检测灵敏度达到105-106个原子/秒

 

那么,石墨烯度气体到底是不是真的不可透过?其极限到底是多少?机理如何?

 

有鉴于此,有石墨烯之父美誉的英国曼彻斯特大学诺奖得主A. K. Geim团队进一步通过实验证实了无缺陷石墨烯的不可透过性,拓展了不可透过性的极限,并揭示了氢气在石墨烯中的异常透过性机理。

 

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图1. 不可透过性实验装置

 

研究人员使用无缺陷的单层石墨烯密封的小型单晶容器为实验装置,研究表明,无缺陷的石墨烯对气体确实具有不可透过性,其检测精度比之前的实验提高了8-9个数量级。

 

研究指出,虽然没有直接的证据,但是作者能够判别,在这样超高的检出限条件下,每小时只有几个氦原子能够透过。对几乎所有其他气体(氖气,氮气,氧气,氩气,和氙气),这一行为均表现一致,只有氢气除外。

 

即使氢分子比氦大,应该经历更高的能垒,但是氢却表现出更加明显的透过性。这一异常结果主要归以为以下机理:1)氢气分子具有催化活性的石墨烯波纹处发生解离;2)被吸附的氢原子以较低活化能翻转到石墨烯片的另一侧。研究指出,这一活化能大概1.0 eV左右,接近质子传递所需要的能量。

 

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图2. 氢气透过性实验

 

总之,这项研究从基础的角度出发,为二维材料的不可透过性提供了重要思考,也为石墨烯的研究指明了新的方向。

 

另外,这项研究也为我们的基础研究做出了新的范例。真正的纯基础研究,应该更多专注于基本的性质,而不应过多渲染那些可能的应用前景,除非你真的能做到了。这样的基础研究,往往都将开辟一个全新的领域。

 

 

参考文献:

P. Z. Sun et al. Limitson gas impermeability of graphene. Nature 2020.

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2070-x

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