Los agujeros a nanoescala en el grafeno (llamados "nanoventanas") pueden elegir selectivamente qué tipo de moléculas de aire pueden atravesar.

Científicos de la Universidad Shinshu y la Universidad PSL, Francia, demostró teóricamente el movimiento concertado del borde de la nanoventana para permitir selectivamente que las moléculas pasen rápidamente, forma energéticamente eficiente. Esto abre nuevas posibilidades para crear una tecnología avanzada de membranas de separación molecular.

La vibración atómica del borde de la nanoventana cambia el tamaño efectivo de la nano-viuda. Cuando el borde de un lado se desvía y el otro se desvía en la dirección opuesta, el tamaño efectivo de la nanoventana se vuelve más grande que cuando el borde no se mueve. Este efecto es predominante para las moléculas de oxígeno, nitrógeno y argón, induciendo una separación eficiente del oxígeno del aire.

El estudio consideró la separación de los principales componentes del aire:oxígeno, nitrógeno y argón. Los tamaños moleculares del oxígeno, nitrógeno y argón son 0,299, 0,305, y 0,363 nanómetros (nm). Los investigadores compararon la permeación de estas moléculas en seis nanoventanas de diferentes tamaños (de 0,257 nm, 0,273 nm, 0,297 nm, 0,330 nm, 0.370 nm, y 0,378 nm).

Las nanoventanas se prepararon mediante tratamiento de oxidación. Por lo tanto, sus bordes están pasivados con átomos de hidrógeno y oxígeno, que tienen un papel esencial para la permeación selectiva.

Asombrosamente, las moléculas penetran a través de nanoventanas incluso cuando el tamaño rígido de la nanoventana es menor que el tamaño molecular objetivo. Por ejemplo, El O2 penetra más rápido a través de nanoventanas de 0,29 nm que a través de nanoventanas de 0,33 nm. La diferencia en la tasa de permeación está asociada con la interacción de la molécula con el borde de la nano-viuda y el grafeno. El mecanismo se explica utilizando la energía de interacción y el movimiento vibratorio del oxígeno y el hidrógeno en el borde de la nanoventana. En la nanoescala, el campo eléctrico local que proviene del borde de la nanoventana que tiene átomos de hidrógeno y oxígeno es lo suficientemente grande como para determinar la orientación de las moléculas de oxígeno y nitrógeno, dando una permeación altamente selectiva a través de nanoventanas más pequeñas que las moléculas de oxígeno. Esta selectividad depende de la estructura y propiedad de una molécula de gas y de la geometría (tamaño y forma) y química del borde de las nanoventanas.

Los movimientos de orientación concertados de los átomos de hidrógeno y oxígeno en el borde de la nanoventana provocados por las vibraciones térmicas cambian el tamaño efectivo de la ventana en aproximadamente 0,01 nm. La vibración concertada en el borde de la nanoventana puede abrir la nanoventana para las moléculas preferibles (gas oxígeno en este caso).

Este estudio evaluó la permeación de gases mezclados para medir las selectividades. Las eficiencias de separación excedieron 50 y 1500 para O2 / N2 y O2 / Ar a temperatura ambiente, respectivamente. Las membranas actuales han obtenido selectividades de tasa de permeación 6 para O2 / N2 pero al mismo tiempo, carecen de una alta tasa de permeabilidad. Esto muestra la posibilidad prometedora de las nanoventanas dinámicas en el grafeno.

La separación de aire en la industria utiliza destilación, que consume una gran cantidad de energía. Los gases utilizados en este estudio se emplean ampliamente en industrias como la medicina, producción de alimentos y acero. El desarrollo de grafenos dinámicos integrados en nanoventanas ahorrará una gran cantidad de energía y proporcionará procesos más seguros y eficientes.