I fori su scala nanometrica nel grafene (chiamati "nano finestre") possono scegliere selettivamente quale tipo di molecole d'aria possono attraversare.

Scienziati della Shinshu University e della PSL University, Francia, dimostrato in teoria il movimento concertato del bordo della nanofinestra per consentire selettivamente alle molecole di passare in modo rapido, modo efficiente dal punto di vista energetico. Ciò apre nuove possibilità per creare una tecnologia avanzata della membrana di separazione molecolare.

La vibrazione atomica del bordo della nanofinestra cambia la dimensione effettiva della nanowidow. Quando il bordo di un lato è deviato e l'altro è deviato nella direzione opposta, la dimensione effettiva della nanofinestra diventa maggiore rispetto a quando il cerchio non si muove. Questo effetto è predominante per le molecole di ossigeno, azoto e argon, inducendo un'efficace separazione dell'ossigeno dall'aria.

Lo studio ha considerato la separazione dei principali componenti dell'aria:ossigeno, azoto e argon. Le dimensioni molecolari dell'ossigeno, azoto e argon sono 0,299, 0,305, e 0,363 nanometri (nm). I ricercatori hanno confrontato la permeazione di queste molecole su sei nanofinestre di dimensioni diverse (di 0,257 nm, 0,273nm, 0,297 nm, 0,330nm, 0,370nm, e 0,378nm).

Le nanofinestre sono state preparate mediante trattamento di ossidazione. Così, i loro bordi sono passivati ​​con atomi di idrogeno e ossigeno, che hanno un ruolo essenziale per la permeazione selettiva.

Sorprendentemente, le molecole permeano attraverso le nanofinestre anche quando la dimensione della nanofinestra rigida è inferiore alla dimensione molecolare target. Per esempio, L'O2 permea più velocemente attraverso le nanofinestre da 0,29 nm rispetto alle nanofinestre da 0,33 nm. La differenza nel tasso di permeazione è associata all'interazione della molecola con il bordo della nanovedova e il grafene. Il meccanismo è spiegato utilizzando l'energia di interazione e il movimento vibrazionale dell'ossigeno e dell'idrogeno sul bordo della nanofinestra. In nanoscala, il campo elettrico locale proveniente dal bordo della nanofinestra con atomi di idrogeno e ossigeno è sufficientemente grande da determinare l'orientamento delle molecole di ossigeno e azoto, dando una permeazione altamente selettiva attraverso nanofinestre più piccole delle molecole di ossigeno. Questa selettività dipende dalla struttura e dalle proprietà di una molecola di gas e dalla geometria (dimensioni e forma) e dalla chimica del bordo delle nanofinestre.

I movimenti di orientamento concertati degli atomi di idrogeno e ossigeno sul bordo della nanofinestra causati dalle vibrazioni termiche modificano la dimensione effettiva della finestra di circa 0,01 nm. La vibrazione concertata sul bordo della nanofinestra può aprire la nanofinestra per le molecole preferibili (gas di ossigeno in questo caso).

Questo studio ha valutato la permeazione di gas misto per misurare le selettività. Le efficienze di separazione hanno superato 50 e 1500 per O2/N2 e O2/Ar a temperatura ambiente, rispettivamente. Le attuali membrane hanno ottenuto selettività di velocità di permeazione 6 per O2/N2 ma allo stesso tempo, mancano di un alto tasso di permeazione. Ciò mostra la possibilità promettente delle nanofinestre dinamiche nel grafene.

La separazione dell'aria nell'industria utilizza la distillazione, che consuma una grande quantità di energia. I gas utilizzati in questo studio sono ampiamente impiegati in industrie come la medicina, produzione alimentare e siderurgica. Lo sviluppo dei grafeni dinamici incorporati nelle nano finestre farà risparmiare una grande quantità di energia e fornirà processi più sicuri ed efficienti.