Transporte de gas helio a través de rendijas a escala ångström. a, Esquema (recuadro) y micrografía TEM (panel principal) de un canal 2D ensamblado a partir de cristales de MoS2. El canal se ve en negro en el panel principal; para mayor claridad, sus bordes están marcados con marcas rojas. El espaciador monocapa parece más oscuro con respecto a los cristales superior e inferior debido a las diferentes orientaciones en el plano. Las ondas de contraste que se ejecutan verticalmente son el resultado del efecto de cortina que se produce durante el pulido con haz de iones. B, Imagen de gran aumento del canal cerca de su borde izquierdo. Cada línea horizontal brillante corresponde a la monocapa MoS2. C, Esquema de los dispositivos experimentales. El conjunto de tres cristales (cian y amarillo) cubre una abertura en una membrana de nitruro de silicio (verde) preparada sobre una oblea de silicio (gris). D, Comparación de la permeación de helio a través de canales 2D de la misma altura (N =5), pero con paredes hechas de diferentes cristales (como lo indican las etiquetas). Todos los dispositivos aquí son de un solo canal, con L =1–6 μm. Los caudales (molares) a temperatura ambiente (296 ± 3 K) se normalizan por longitud de canal y, por legibilidad, multiplicado por los factores mostrados. El flujo esperado para la difusión de Knudsen se muestra mediante la línea negra continua cerca de los datos de MoS2. Recuadro, nuestra configuración de medición. La flecha indica la dirección del flujo de gas. Crédito:(c) Naturaleza (2018). DOI:10.1038 / s41586-018-0203-2
Nuevos experimentos realizados por investigadores del Instituto Nacional de Grafeno de la Universidad de Manchester han arrojado más luz sobre el flujo de gas a través de pequeños, Canales del tamaño de un angstrom con paredes atómicamente planas.
Publicado en Naturaleza , Esta nueva investigación muestra que los canales permiten que el gas los atraviese a velocidades que son órdenes de magnitud más rápidas de lo esperado por la teoría. Esto no solo será importante para los estudios fundamentales sobre los flujos moleculares a nanoescala, sino también para aplicaciones como la desalinización y la filtración.
El flujo anormalmente alto informado se debe a un fenómeno llamado 'dispersión de superficie especular', lo que permite que un gas pase a través del canal como si no estuviera allí.
Para entender este efecto, imagina un espacio estrecho entre dos superficies paralelas. Si las superficies son rugosas, la luz que brilla en el espacio se dispersa al azar. Por lo tanto, se necesitarían millones de rebotes antes de que las partículas de luz (fotones) emerjan en direcciones aleatorias.
Ahora, si estas superficies son espejos, la luz solo necesitaría unos pocos rebotes antes de que los fotones emergieran del otro lado, como si no hubiera ninguna obstrucción. El primer escenario es lo que sucede normalmente en un flujo de moléculas a través de tuberías, y esto último es lo que se encontró en este estudio.
El equipo pudo obtener sus resultados al estudiar cómo el gas helio penetra a través de canales en forma de hendidura a escala angstrom con paredes hechas de cristales de grafito escindidos. nitruro de boro hexagonal (hBN) o sulfuro de molibdeno (MoS 2 ). Todos estos materiales pueden exfoliarse hasta un espesor de monocapa y proporcionar superficies atómicamente planas que son estables a temperatura y presión ambiente.
Tales rendijas de escala angstrom tienen solo un par de átomos de altura y eran imposibles de fabricar hasta hace muy poco.
Dra. Radha Boya, quien fue uno de los líderes del estudio dijo:"Nuestros experimentos muestran que la dispersión de helio en la superficie es muy sensible al paisaje atómico. Por ejemplo, el helio penetra mucho más lentamente a través de canales hechos de MoS 2 que a través de los fabricados con los otros dos materiales. Esto se debe a que la rugosidad de su superficie es comparable en altura al tamaño de los átomos de helio que se transportan y su longitud de onda (de Broglie) ".
El profesor Sir Andre Geim añadió:"Aunque todos los materiales utilizados son atómicamente planos, algunos son más planos que otros. Los átomos de helio son como pequeñas pelotas de ping-pong que rebotan a través de una tubería, y dependiendo de si la superficie de la tubería es irregular o lisa, la pelota sale por el otro extremo más lento o más rápido ".
El grafeno es el material más plano de los tres. MoS 2 por otro lado, es tan áspero para los átomos de helio que rebotan al azar como pelotas de ping-pong en la superficie de una tabla de lavar.
La dispersión especular solo se puede explicar teniendo en cuenta los efectos cuánticos, es decir, la naturaleza ondulatoria de las moléculas de gas. Los investigadores demostraron esto comparando los flujos de gas de hidrógeno y su isótopo más pesado deuterio.
Observaron que el hidrógeno fluye a través de los canales bidimensionales significativamente más rápido que el deuterio.
Dr. Ashok Keerthi, el primer autor del artículo dijo:"Aunque el tamaño de las moléculas de hidrógeno y deuterio es el mismo y químicamente son exactamente iguales, también, la longitud de onda de De Broglie del hidrógeno es mayor en comparación con la del deuterio. Y esto es todo lo que se necesita para cambiar la reflexión especular de las paredes del canal ".
Se espera que el trabajo tenga importantes implicaciones para la comprensión de los sistemas a nanoescala. Gran parte de la comprensión actual proviene de la teoría newtoniana clásica, pero los experimentos demuestran que, incluso en condiciones ambientales, algunos fenómenos a nanoescala implican intrínsecamente efectos cuánticos y no pueden explicarse sin tener en cuenta que los átomos también se comportan como ondas.
El equipo de Manchester ahora está buscando investigar la separación selectiva de gases por tamaño utilizando canales aún más delgados, que podría proporcionar usos en tecnologías de separación de gases.
