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。

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。

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