Transporte de gás hélio através de fendas na escala ångström. uma, Esquemático (inserção) e micrografia TEM (painel principal) de um canal 2D montado a partir de cristais MoS2. O canal é visto em preto no painel principal; para maior clareza, suas bordas são marcadas com marcas vermelhas. O espaçador de monocamada parece mais escuro em relação aos cristais superior e inferior devido às diferentes orientações no plano. As ondulações de contraste na vertical são resultado do efeito de cortina que ocorre durante o polimento por feixe de íons. b, Imagem de alta ampliação do canal próximo à sua borda esquerda. Cada linha horizontal brilhante corresponde à monocamada MoS2. c, Esquema dos dispositivos experimentais. O conjunto tri-cristalino (ciano e amarelo) cobre uma abertura em uma membrana de nitreto de silício (verde) preparada em cima de uma pastilha de silício (cinza). d, Comparação da permeação de hélio através de canais 2D da mesma altura (N =5), mas com paredes feitas de diferentes cristais (conforme indicado nas etiquetas). Todos os dispositivos aqui são de canal único, com L =1–6 μm. As taxas de fluxo (mol) à temperatura ambiente (296 ± 3 K) são normalizadas por comprimento de canal e, para legibilidade, multiplicado pelos fatores mostrados. O fluxo esperado para a difusão de Knudsen é mostrado pela linha preta sólida próxima aos dados MoS2. Inserir, nossa configuração de medição. A seta indica a direção do fluxo de gás. Crédito:(c) Natureza (2018). DOI:10.1038 / s41586-018-0203-2
Novos experimentos de pesquisadores do National Graphene Institute da University of Manchester lançaram mais luz sobre o fluxo de gás através de minúsculos, canais do tamanho de angstrom com paredes atomicamente planas.
Publicado em Natureza , esta nova pesquisa mostra que os canais permitem o gás através deles a taxas que são ordens de magnitude mais rápidas do que o esperado pela teoria. Isso não será importante apenas para estudos fundamentais sobre fluxos moleculares em nanoescala, mas também para aplicações como dessalinização e filtração.
O fluxo anormalmente alto relatado é devido a um fenômeno chamado 'espalhamento de superfície especular', o que permite que um gás passe pelo canal como se ele não estivesse lá.
Para entender esse efeito, imagine uma lacuna estreita entre duas superfícies paralelas. Se as superfícies forem ásperas, a luz brilhou na lacuna é espalhada aleatoriamente. Assim, seriam necessários zilhões de saltos antes que as partículas de luz (fótons) emergissem em direções aleatórias.
Agora, se essas superfícies são espelhos, a luz só precisaria de alguns reflexos antes que os fótons emergissem do outro lado - como se não houvesse nenhuma obstrução. O primeiro cenário é o que normalmente acontece em um fluxo de moléculas através de tubos, e este último é o que foi encontrado neste estudo.
A equipe conseguiu obter seus resultados estudando como o gás hélio permeia canais em forma de fenda em escala de angstrom com paredes feitas de cristais de grafite clivados, nitreto de boro hexagonal (hBN) ou sulfeto de molibdênio (MoS 2 ) Todos esses materiais podem ser esfoliados até uma espessura de monocamada e fornecem superfícies atomicamente planas que são estáveis em temperatura e pressão ambiente.
Essas fendas na escala de angstrom têm apenas alguns átomos de altura e eram impossíveis de fabricar até muito recentemente.
Dra. Radha Boya, que foi um dos líderes do estudo disse:"Nossos experimentos mostram que a dispersão de hélio na superfície é altamente sensível à paisagem atômica. Por exemplo, o hélio permeia muito mais lentamente através dos canais feitos de MoS 2 do que por aqueles feitos com os outros dois materiais. Isso ocorre porque a rugosidade de sua superfície é comparável em altura ao tamanho dos átomos de hélio sendo transportados e seu comprimento de onda (de Broglie). "
O professor Sir Andre Geim acrescentou:"Embora todos os materiais usados sejam atomicamente planos, alguns são mais planos do que outros. Os átomos de hélio são, então, como pequenas bolas de pingue-pongue quicando em um cano, e dependendo se a superfície do tubo é irregular ou lisa, a bola sai do outro lado mais devagar ou mais rápido. "
O grafeno é o material mais plano dos três. MoS 2 por outro lado, é tão áspero para os átomos de hélio que eles voltam aleatoriamente como bolas de pingue-pongue em uma superfície de tábua de lavar.
O espalhamento especular só pode ser explicado levando-se em consideração os efeitos quânticos - isto é, a natureza ondulatória das moléculas de gás. Os pesquisadores provaram isso comparando os fluxos de gás de hidrogênio e seu isótopo mais pesado deutério.
Eles observaram que o hidrogênio flui através dos canais 2-D significativamente mais rápido do que o deutério.
Dr. Ashok Keerthi, o primeiro autor do artigo disse:"Embora o tamanho das moléculas de hidrogênio e de deutério seja o mesmo e sejam quimicamente exatamente o mesmo, também, o comprimento de onda de De Broglie do hidrogênio é maior em comparação com o do deutério. E isso é tudo o que é necessário para alterar a reflexão especular nas paredes do canal. "
Espera-se que o trabalho tenha implicações importantes para a compreensão de sistemas em nanoescala. Muito do entendimento atual vem da teoria newtoniana clássica, mas os experimentos provam que - mesmo sob condições ambientais - alguns fenômenos em nanoescala envolvem intrinsecamente efeitos quânticos e não podem ser explicados sem levar em conta que os átomos também se comportam como ondas.
A equipe de Manchester agora está procurando investigar a separação seletiva de tamanho de gases usando canais ainda mais finos, que poderia fornecer usos em tecnologias de separação de gás.
