Trasporto di gas elio attraverso fenditure a scala di ångström. un, Schema (inserto) e micrografia TEM (pannello principale) di un canale 2D assemblato da cristalli MoS2. Il canale è visualizzato in nero nel pannello principale; per chiarezza, i suoi bordi sono contrassegnati da segni di spunta rossi. Il distanziatore monostrato appare più scuro rispetto ai cristalli superiore e inferiore a causa dei diversi orientamenti nel piano. Le increspature di contrasto che corrono verticalmente sono il risultato dell'effetto tenda che si verifica durante la lucidatura a fascio ionico. B, Immagine ad alto ingrandimento del canale vicino al suo bordo sinistro. Ogni linea orizzontale luminosa corrisponde al monostrato MoS2. C, Schema dei dispositivi sperimentali. Il gruppo tricristallino (ciano e giallo) copre un'apertura in una membrana di nitruro di silicio (verde) preparata sopra un wafer di silicio (grigio). D, Confronto della permeazione dell'elio attraverso canali 2D della stessa altezza (N=5), ma con pareti realizzate con cristalli diversi (come indicato dalle etichette). Tutti i dispositivi qui sono a canale singolo, con L=1–6 μm. Le portate (mole) a temperatura ambiente (296 ± 3 K) sono normalizzate per lunghezza del canale e, per la leggibilità, moltiplicato per i fattori indicati. Il flusso previsto per la diffusione di Knudsen è mostrato dalla linea nera continua vicino ai dati MoS2. inserto, il nostro sistema di misurazione. La freccia indica la direzione del flusso di gas. Credito:(c) Natura (2018). DOI:10.1038/s41586-018-0203-2
Nuovi esperimenti dei ricercatori del National Graphene Institute dell'Università di Manchester hanno gettato più luce sul flusso di gas attraverso minuscoli, canali di dimensioni angstrom con pareti atomicamente piatte.
Pubblicato in Natura , questa nuova ricerca mostra che i canali consentono al gas di attraversarli a velocità che sono ordini di grandezza più veloci di quanto previsto dalla teoria. Questo non sarà importante solo per studi fondamentali sui flussi molecolari su scala nanometrica, ma anche per applicazioni come la desalinizzazione e la filtrazione.
Il flusso anomalo elevato riportato è dovuto a un fenomeno chiamato "scattering superficiale speculare", che consente a un gas di passare attraverso il canale come se non ci fosse affatto.
Per comprendere questo effetto, immagina uno spazio stretto tra due superfici parallele. Se le superfici sono ruvide, la luce che brillava nello spazio è dispersa in modo casuale. Ci vorrebbero quindi miliardi di rimbalzi prima che le particelle di luce (fotoni) emergano in direzioni casuali.
Ora, se queste superfici sono specchi, la luce avrebbe bisogno solo di pochi rimbalzi prima che i fotoni emergano dall'altra parte, come se non ci fosse alcuna ostruzione. Il primo scenario è quello che normalmente accade in un flusso di molecole attraverso i tubi, e quest'ultimo è quello che è stato trovato in questo studio.
Il team è stato in grado di ottenere i risultati studiando come il gas elio permea attraverso canali simili a fenditure su scala angstrom con pareti costituite da cristalli di grafite spaccati, nitruro di boro esagonale (hBN) o solfuro di molibdeno (MoS 2 ). Questi materiali possono essere tutti esfoliati fino a uno spessore monostrato e forniscono superfici atomicamente piatte che sono stabili a temperatura e pressione ambiente.
Tali fenditure su scala angstrom sono alte solo un paio di atomi ed erano impossibili da fabbricare fino a poco tempo fa.
Dottoressa Radha Boya, che era uno dei leader dello studio ha dichiarato:"I nostri esperimenti mostrano che la dispersione superficiale dell'elio è altamente sensibile al paesaggio atomico. Ad esempio, l'elio permea molto più lentamente attraverso i canali costituiti da MoS 2 che attraverso quelli realizzati con gli altri due materiali. Questo perché la sua rugosità superficiale è paragonabile in altezza alla dimensione degli atomi di elio trasportati e alla loro lunghezza d'onda (de Broglie)."
Il professor Sir Andre Geim ha aggiunto:"Sebbene tutti i materiali utilizzati siano atomicamente piatti, alcuni sono più piatti di altri. Gli atomi di elio sono quindi come minuscole palline da ping-pong che rimbalzano attraverso un tubo, e a seconda che la superficie del tubo sia irregolare o liscia, la palla esce dall'altra parte più lenta o più veloce."
Il grafene è il materiale più piatto dei tre. MoS 2 d'altra parte è così ruvido per gli atomi di elio che rimbalzano indietro casualmente come palline da ping-pong da una superficie di lavaggio.
La diffusione speculare può essere spiegata solo tenendo conto degli effetti quantistici, cioè la natura ondulatoria delle molecole di gas. I ricercatori lo hanno dimostrato confrontando i flussi di gas di idrogeno e il suo isotopo più pesante deuterio.
Hanno osservato che l'idrogeno scorre attraverso i canali 2-D significativamente più velocemente del deuterio.
Dottor Ashok Keerthi, il primo autore dell'articolo ha dichiarato:"Sebbene le dimensioni delle molecole di idrogeno e di deuterio siano le stesse e siano chimicamente esattamente le stesse, pure, la lunghezza d'onda di de Broglie dell'idrogeno è maggiore rispetto a quella del deuterio. E questo è tutto ciò che è necessario per modificare la riflessione speculare sulle pareti del canale".
Si prevede che il lavoro avrà importanti implicazioni per la comprensione dei sistemi su nanoscala. Gran parte dell'attuale comprensione deriva dalla teoria newtoniana classica, ma gli esperimenti dimostrano che, anche in condizioni ambientali, alcuni fenomeni su scala nanometrica comportano intrinsecamente effetti quantistici e non possono essere spiegati senza tenere conto del fatto che anche gli atomi si comportano come onde.
Il team di Manchester sta ora cercando di studiare la separazione dei gas selettiva per dimensione utilizzando canali ancora più sottili, che potrebbero fornire usi nelle tecnologie di separazione del gas.
