石墨烯气球用于识别稀有气体

代尔夫特理工大学和杜伊斯堡-埃森大学科学家的新研究利用原子级薄石墨烯的运动来识别惰性气体。这些气体是化学惰性的，不会与其他材料发生反应，这使得检测它们具有挑战性。研究结果发表在《自然通讯》杂志上。

石墨烯是一种最终薄的材料，仅由一层碳原子组成。它的原子厚度使其成为气体和液体的完美过滤材料：石墨烯本身不具有渗透性，但小孔使其具有很强的渗透性。此外，该材料是已知最坚固的材料之一，可承受高应力。这两个特性共同为新型气体传感器提供了完美的基础。

科学家们使用由双层石墨烯(厚度为 0.7 nm)制成的微型气球，具有直径低至 25 nm 的非常小的纳米孔穿孔，来检测气体。他们使用激光加热气球内的气体并使其扩展。然后加压气体通过穿孔逸出。代尔夫特理工大学研究员 Irek Rosłoń 说：“想象一个气球在空气耗尽时会放气，我们测量气球放气所需的时间。在如此小的规模下，这种情况发生得非常快——大约在 1/100.000 以内秒——有趣的是，时间的长短很大程度上取决于气体的类型和孔隙的大小。例如，氦，一种具有高分子速度的轻气体，比氪快五倍，一种重且缓慢移动的气体气体。” 该方法允许根据质量和分子速度区分气体，这通常需要大型质谱仪。

石墨烯气球由 100 kHz 的高频光热力持续驱动，使气体非常迅速地通过纳米孔泵入和泵出。气体的渗透可以通过观察石墨烯的机械运动来研究。在低泵送频率下，气体有足够的时间逸出并且不会显着影响石墨烯的运动。然而，膜在增加泵送频率时会受到大量阻力，特别是当泵送周期对应于气体离开气球所需的典型时间时。“通过在各种频率下进行测量，我们可以找到阻力的峰值。观察到峰值的频率对应于气体的渗透速度。”

研究人员将这一想法扩展到研究通过纳米通道的气体流动。将气球连接到长通道会使气体更难逸出。放气时间的增加提供了对纳米通道内气体流动力学的实验洞察。总而言之，这项工作展示了石墨烯的非凡特性如何用于研究纳米级的气体动力学，以及如何设计新型传感器和设备。未来，这可以使小型、低成本和多功能的传感器设备能够确定工业应用或空气质量监测中气体混合物的成分。

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