Pesquisadores do National Graphene Institute da University of Manchester e da University of Pennsylvania identificaram fluxos de gás ultrarrápidos através dos menores orifícios em membranas de um átomo de espessura, em um estudo publicado em Avanços da Ciência .

O trabalho - junto com outro estudo de Penn sobre a criação de tais membranas nano-porosas - é promissor para várias áreas de aplicação, desde a purificação de água e gás até o monitoramento da qualidade do ar e captação de energia.

No início do século 20, O renomado físico dinamarquês Martin Knudsen formulou teorias para descrever os fluxos de gás. Novos sistemas emergentes de poros mais estreitos desafiaram as descrições de Knudsen de fluxos de gás, mas eles permaneceram válidos e não se sabia em que ponto da escala decrescente eles poderiam falhar.

A equipe de Manchester - liderada pela professora Radha Boya, em colaboração com a equipe da Universidade da Pensilvânia, liderado pela professora Marija Drndic - mostrou pela primeira vez que a descrição de Knudsen parece ser verdadeira no limite atômico final.

A ciência dos materiais bidimensionais (2-D) está progredindo rapidamente e agora é rotina para os pesquisadores fazerem membranas com a espessura de um átomo. O grupo do professor Drndic na Pensilvânia desenvolveu um método para fazer furos, um átomo de largura, em uma monocamada de dissulfeto de tungstênio. Uma questão importante permaneceu, embora:para verificar se os buracos em escala atômica eram passantes e condutores, sem realmente vê-los manualmente, um por um. A única forma prévia de confirmar se os furos estavam presentes e do tamanho pretendido, era inspecioná-los em um microscópio eletrônico de alta resolução.

A equipe do professor Boya desenvolveu uma técnica para medir fluxos de gás através de buracos atômicos, e, por sua vez, usa o fluxo como uma ferramenta para quantificar a densidade do furo. Ela disse:"Embora não haja dúvida de que ver para crer, a ciência tem sido bastante limitada por ser capaz de ver apenas os poros atômicos em um microscópio sofisticado. Aqui temos dispositivos através dos quais podemos não apenas medir os fluxos de gás, mas também use os fluxos como um guia para estimar quantos buracos atômicos havia na membrana para começar. "

J Thiruraman, o co-primeiro autor do estudo, disse:"Ser capaz de alcançar essa escala atômica experimentalmente, e ter a imagem dessa estrutura com precisão para que você possa ter mais certeza de que é um poro desse tamanho e forma, foi um desafio. "

O professor Drndic acrescentou:"Há muita física de dispositivo entre encontrar algo em um laboratório e criar uma membrana utilizável. Isso veio com o avanço da tecnologia, bem como com nossa própria metodologia, e o que é novo aqui é integrar isso em um dispositivo que você pode realmente tirar, transporte através do oceano, se desejar [para Manchester], e medir. "

Dr. Ashok Keerthi, outro autor principal da equipe de Manchester, disse:"A inspeção manual da formação de buracos atômicos em grandes áreas em uma membrana é meticulosa e provavelmente impraticável. Aqui usamos um princípio simples, a quantidade de gás que a membrana deixa passar é uma medida de quão furado ele está. "

Os fluxos de gás alcançados são várias ordens de magnitude maiores do que os fluxos previamente observados em poros em escala angstrom na literatura. Uma correlação de um para um das densidades de abertura atômica por imagem de microscopia eletrônica de transmissão (medida localmente) e de fluxos de gás (medidos em grande escala) foi combinada por este estudo e publicada pela equipe. S Dar, um co-autor de Manchester acrescentou:"Surpreendentemente, não existe nenhuma barreira de energia mínima para o fluxo através de tais orifícios minúsculos."

O professor Boya acrescentou:"Agora temos um método robusto para confirmar a formação de aberturas atômicas em grandes áreas usando fluxos de gás, que é uma etapa essencial para buscar suas aplicações prospectivas em vários domínios, incluindo separação molecular, detecção e monitoramento de gases em concentrações ultrabaixas. "