Investigadores del Instituto Nacional de Grafeno de la Universidad de Manchester y la Universidad de Pensilvania han identificado flujos de gas ultrarrápidos a través de los orificios más pequeños en membranas delgadas de un átomo. en un estudio publicado en Avances de la ciencia .

El trabajo, junto con otro estudio de Penn sobre la creación de tales membranas nanoporosas, es prometedor para numerosas áreas de aplicación, desde la purificación de agua y gas hasta el control de la calidad del aire y la captación de energía.

A principios del siglo XX, El renombrado físico danés Martin Knudsen formuló teorías para describir los flujos de gas. Los nuevos sistemas emergentes de poros más estrechos desafiaron las descripciones de Knudsen de los flujos de gas, pero siguieron siendo válidos y se desconoce en qué punto de escala decreciente podrían fallar.

El equipo de Manchester, dirigido por la profesora Radha Boya, en colaboración con el equipo de la Universidad de Pennsylvania, dirigido por la profesora Marija Drndic, ha demostrado por primera vez que la descripción de Knudsen parece ser cierta en el límite atómico final.

La ciencia de los materiales bidimensionales (2-D) está progresando rápidamente y ahora es una rutina para los investigadores fabricar membranas delgadas de un átomo. El grupo del profesor Drndic en Pensilvania desarrolló un método para perforar agujeros, un átomo de ancho, sobre una monocapa de disulfuro de tungsteno. Quedaba una pregunta importante, aunque:para comprobar si los agujeros a escala atómica eran pasantes y conductores, sin verlos realmente manualmente, uno a uno. La única forma de confirmar previamente si los agujeros estaban presentes y del tamaño previsto, fue inspeccionarlos en un microscopio electrónico de alta resolución.

El equipo del profesor Boya desarrolló una técnica para medir los flujos de gas a través de agujeros atómicos, y, a su vez, utilice el flujo como herramienta para cuantificar la densidad del pozo. Ella dijo:"Aunque no hay duda de que ver para creer, la ciencia ha estado bastante limitada al poder ver solo los poros atómicos en un microscopio elegante. Aquí tenemos dispositivos a través de los cuales no solo podemos medir los flujos de gas, pero también use los flujos como una guía para estimar cuántos agujeros atómicos había en la membrana para empezar ".

J Thiruraman, el co-primer autor del estudio, dijo:"Ser capaz de alcanzar esa escala atómica experimentalmente, y tener la imagen de esa estructura con precisión para que pueda estar más seguro de que es un poro de ese tamaño y forma, fue un desafío ".

El profesor Drndic agregó:"Hay mucha física de dispositivos entre encontrar algo en un laboratorio y crear una membrana utilizable. Eso vino con el avance de la tecnología, así como con nuestra propia metodología, y lo novedoso aquí es integrar esto en un dispositivo que realmente puedes sacar, transporte a través del océano si lo desea [a Manchester], y medir ".

Dr. Ashok Keerthi, otro autor principal del equipo de Manchester, dijo:"La inspección manual de la formación de agujeros atómicos en grandes áreas de una membrana es laboriosa y probablemente poco práctica. Aquí usamos un principio simple, la cantidad de gas que deja pasar la membrana es una medida de cuán perforada está ".

Los flujos de gas logrados son varios órdenes de magnitud mayores que los flujos previamente observados en la literatura en poros de escala angstrom. Este estudio combinó una correlación uno a uno de las densidades de apertura atómica mediante imágenes de microscopía electrónica de transmisión (medidas localmente) y de flujos de gas (medidos a gran escala) y la publicó el equipo. S Dar, un coautor de Manchester agregó:"Sorprendentemente, no existe una barrera de energía mínima o mínima para el flujo a través de agujeros tan pequeños".

El profesor Boya agregó:"Ahora tenemos un método sólido para confirmar la formación de aberturas atómicas en grandes áreas utilizando flujos de gas, que es un paso esencial para perseguir sus posibles aplicaciones en varios dominios, incluida la separación molecular, detección y seguimiento de gases a concentraciones ultrabajas ".