Nuevos experimentos realizados por investigadores de la Universidad de Manchester han puesto los mejores límites hasta ahora en la impermeabilidad del grafeno y otros materiales bidimensionales a gases y líquidos. El trabajo también ha revelado que la hoja de carbono puede actuar como un poderoso catalizador para la división del hidrógeno, un hallazgo que promete catalizadores baratos y abundantes en el futuro.

El grafeno teóricamente cuenta con una energía muy alta para la penetración de átomos y moléculas, que evita que los gases y líquidos pasen por él a temperatura ambiente. En efecto, Se estima que se necesitaría más que la vida útil del Universo para encontrar un átomo lo suficientemente enérgico como para perforar una monocapa de grafeno sin defectos de cualquier tamaño realista en condiciones ambientales. dicen los investigadores dirigidos por el profesor Sir Andre Geim. Esta hipótesis está respaldada por experimentos del mundo real realizados hace más de una década que encontraron que el grafeno de un átomo de espesor era menos permeable a los átomos de helio que una película de cuarzo de unas pocas micras de espesor. Aunque la película es 100, 000 más grueso que el grafeno, esto todavía está muy lejos del límite teórico.

Envases perfectamente sellados

El equipo de Manchester desarrolló una técnica de medición que es miles de millones de veces más sensible a la penetración de átomos de gas que cualquiera de los métodos conocidos. En su estudio, reportado en Naturaleza , comenzaron perforando pozos del tamaño de una micra en monocristales de grafito o nitruro de boro, que cubrieron con una membrana de grafeno de un átomo de espesor. Dado que la superficie superior de estos contenedores es atómicamente plana, la cubierta proporciona un sellado hermético perfecto. La única forma en que los átomos y las moléculas pueden entrar en un contenedor es a través de la membrana de grafeno. La membrana en sí es flexible y responde a cambios menores de presión dentro del recipiente.

Luego, los investigadores colocaron los contenedores en gas helio. Si los átomos entran o salen de un contenedor, la presión del gas en el interior aumenta o disminuye, respectivamente, y hace que la superficie de la cubierta se abulte en algunas distancias pequeñas. El equipo monitoreó estos movimientos con precisión angstrom utilizando un microscopio de fuerza atómica.

"El nuevo resultado respalda (y proporciona una explicación para) algunos de los informes anteriores en la literatura sobre la actividad catalítica inesperadamente alta del grafeno, que era particularmente contradictorio debido a la extrema inercia de su padre a granel, grafito, "dice el profesor Sir Andre Geim.

Como una "pared de vidrio de un kilómetro de espesor"

De cambios en la posición de la membrana, el número de átomos o moléculas que penetran a través del grafeno se puede calcular con precisión. Los investigadores encontraron que no más de unos pocos átomos de helio, si los hubiera, entraban o salían de su contenedor por hora. "Esta sensibilidad es más de ocho a nueve órdenes de magnitud más alta que la alcanzada en experimentos anteriores sobre la impermeabilidad del grafeno, que en sí mismos eran unos pocos órdenes de magnitud más sensibles que el límite de detección de los detectores de fugas de helio modernos. Para poner esto en perspectiva, El carbono de un átomo de espesor es menos permeable a los gases que una pared de vidrio de un kilómetro de espesor, "explica Geim.

El helio es el más penetrante de todos los gases, debido a sus pequeños átomos que interactúan débilmente. Sin embargo, los investigadores decidieron repetir sus experimentos con otros gases como el neón, nitrógeno, oxígeno, argón, criptón, xenón e hidrógeno. Todos ellos no mostraron permeación con la misma precisión que la lograda para el helio, excepto el hidrógeno. A diferencia de todos los demás, se infiltró relativamente rápido a través del grafeno libre de defectos. Dr. Pengzhan Sun, el primer autor del artículo de Nature, comentó "Este es un resultado impactante:una molécula de hidrógeno es mucho más grande que un átomo de helio. Si este último no puede pasar, cómo demonios pueden hacerlo las moléculas más grandes ".

Grafeno curvo para disociación de hidrógeno

El equipo atribuye la permeación de hidrógeno inesperada al hecho de que las membranas de grafeno no son completamente planas, sino que tienen muchas ondulaciones de tamaño nanométrico. Éstos actúan como regiones catalíticamente activas y se disocian en dos átomos de hidrógeno absorbido por el hidrógeno molecular, una reacción que suele ser enormemente desfavorable. Las ondas de grafeno favorecen la división del hidrógeno, de acuerdo con la teoría. Luego, los átomos de hidrógeno adsorbidos pueden voltearse al otro lado de las membranas de grafeno con relativa facilidad, de manera similar a la permeación de protones a través del grafeno sin defectos. Este último proceso se conocía antes y se explicaba por el hecho de que los protones son partículas subatómicas, lo suficientemente pequeño como para pasar a través de la densa red cristalina del grafeno.

"El nuevo resultado respalda (y proporciona una explicación para) algunos de los informes anteriores en la literatura sobre la actividad catalítica inesperadamente alta del grafeno, que era particularmente contradictorio debido a la extrema inercia de su padre a granel, grafito, "dice Geim.

"Nuestro trabajo proporciona una base para comprender por qué el grafeno puede funcionar como catalizador, algo que debería estimular una mayor investigación sobre el uso del material en tales aplicaciones en el futuro". "El Dr. Sun agrega." En cierto sentido, nanoripples de grafeno se comportan como partículas de platino, que también son conocidos por dividir el hidrógeno molecular. Pero nadie esperaba esto del grafeno aparentemente inerte ".