Os buracos em nanoescala no grafeno (chamados de "nano-janelas") podem escolher seletivamente que tipo de moléculas de ar podem passar.

Cientistas da Shinshu University e PSL University, França, teoricamente provou que o movimento coordenado da borda da nano-janela permite seletivamente a passagem das moléculas em um rápido, maneira eficiente em termos de energia. Isso traz novas possibilidades para criar uma tecnologia avançada de membrana de separação molecular.

A vibração atômica da borda da nanowindow altera o tamanho efetivo da nanowidow. Quando a borda de um lado é desviada e o outro é desviada para a direção oposta, o tamanho efetivo da nanowindow torna-se maior do que quando a borda não se move. Este efeito é predominante para moléculas de oxigênio, nitrogênio e argônio, induzindo uma separação eficiente do oxigênio do ar.

O estudo considerou a separação dos principais componentes do ar:oxigênio, nitrogênio e argônio. Os tamanhos moleculares do oxigênio, nitrogênio e argônio são 0,299, 0,305, e 0,363 nanômetros (nm). Os pesquisadores compararam a permeação dessas moléculas em seis nano-janelas de tamanhos diferentes (de 0,257 nm, 0,273 nm, 0,297 nm, 0,330 nm, 0,370 nm, e 0,378 nm).

Nanowindows foram preparadas por tratamento de oxidação. Assim, suas bordas são passivadas com átomos de hidrogênio e oxigênio, que têm um papel essencial para a permeação seletiva.

Surpreendentemente, as moléculas permeiam por meio de nano-janelas mesmo quando o tamanho da nano-janela rígida é menor do que o tamanho molecular alvo. Por exemplo, O O2 permeia mais rápido através de nano-janelas de 0,29 nm do que de nano-janelas de 0,33 nm. A diferença na taxa de permeação está associada à interação da molécula com a borda da nanowidow e o grafeno. O mecanismo é explicado usando energia de interação e movimento vibracional do oxigênio e hidrogênio na borda da nano-janela. Na nanoescala, o campo elétrico local proveniente da borda da nano-janela com átomos de hidrogênio e oxigênio é grande o suficiente para determinar a orientação das moléculas de oxigênio e nitrogênio, dando uma permeação altamente seletiva através de nano-janelas menores que as moléculas de oxigênio. Essa seletividade depende da estrutura e das propriedades de uma molécula de gás e da geometria (tamanho e forma) e da química do aro das nano-janelas.

Os movimentos de orientação combinados dos átomos de hidrogênio e oxigênio na borda da nano-janela, causados ​​por vibrações térmicas, alteram o tamanho efetivo da janela em aproximadamente 0,01 nm. A vibração combinada na borda da nano-janela pode abrir a nano-janela para moléculas preferíveis (gás oxigênio, neste caso).

Este estudo avaliou a permeação de gases mistos para medir seletividades. As eficiências de separação excederam 50 e 1500 para O2 / N2 e O2 / Ar à temperatura ambiente, respectivamente. As membranas atuais obtiveram seletividades de taxa de permeação 6 para O2 / N2, mas ao mesmo tempo, eles carecem de uma alta taxa de permeação. Isso mostra a possibilidade promissora de nano-janelas dinâmicas no grafeno.

A separação do ar na indústria usa destilação, que consome uma grande quantidade de energia. Os gases usados ​​neste estudo são amplamente empregados em indústrias como a medicina, produção de alimentos e aço. O desenvolvimento de grafenos incorporados em nanowindows dinâmicos economizará uma grande quantidade de energia e fornecerá processos mais seguros e eficientes.