Nuovi esperimenti condotti da ricercatori dell'Università di Manchester hanno posto i migliori limiti finora all'impermeabilità del grafene e di altri materiali bidimensionali a gas e liquidi. Il lavoro ha anche rivelato che il foglio di carbonio può agire come un potente catalizzatore per la scissione dell'idrogeno, una scoperta che promette catalizzatori economici e abbondanti in futuro.

Il grafene vanta teoricamente un'energia molto elevata per la penetrazione di atomi e molecole, che impedisce il passaggio di gas e liquidi a temperatura ambiente. Infatti, si stima che ci vorrebbe più tempo della vita dell'Universo per trovare un atomo abbastanza energico da perforare un grafene monostrato privo di difetti di qualsiasi dimensione realistica in condizioni ambientali, dicono i ricercatori guidati dal professor Sir Andre Geim. Questa ipotesi è supportata da esperimenti nel mondo reale eseguiti oltre un decennio fa che hanno scoperto che il grafene dello spessore di un atomo era meno permeabile agli atomi di elio di un film di quarzo di pochi micron di spessore. Anche se il film è 100, 000 più spesso del grafene, questo è ancora molto lontano dal limite teorico.

Contenitori perfettamente sigillati

Il team di Manchester ha sviluppato una tecnica di misurazione che è molti miliardi di volte più sensibile alla permeazione degli atomi di gas rispetto a qualsiasi metodo noto. Nel loro studio, segnalato in Natura , hanno iniziato perforando pozzi di dimensioni micron in monocristalli di grafite o nitruro di boro, che hanno ricoperto con una membrana di grafene dello spessore di un atomo. Poiché la superficie superiore di questi contenitori è atomicamente piatta, il coperchio garantisce una perfetta tenuta all'aria. L'unico modo in cui atomi e molecole possono entrare in un contenitore è attraverso la membrana di grafene. La membrana stessa è flessibile e risponde a piccoli cambiamenti di pressione all'interno del contenitore.

I ricercatori hanno quindi posizionato i contenitori in gas elio. Se gli atomi entrano o escono da un contenitore, la pressione del gas all'interno aumenta o diminuisce, rispettivamente, e fa rigonfiare la superficie della copertura per alcune piccole distanze. Il team ha monitorato questi movimenti con precisione angstrom utilizzando un microscopio a forza atomica.

"Il nuovo risultato conferma (e fornisce una spiegazione per) alcuni dei precedenti rapporti in letteratura sull'attività catalitica inaspettatamente elevata del grafene, che era particolarmente controintuitivo a causa dell'estrema inerzia del suo genitore di massa, grafite, "dice il professor Sir Andre Geim.

Come una "parete di vetro spessa un chilometro"

Dai cambiamenti nella posizione della membrana, il numero di atomi o molecole che penetrano attraverso il grafene può essere calcolato con precisione. I ricercatori hanno scoperto che non più di pochi atomi di elio, se presenti, entravano o uscivano dal loro contenitore all'ora. "Questa sensibilità è di oltre otto-nove ordini di grandezza superiore a quella raggiunta in precedenti esperimenti sull'impermeabilità al grafene, che a loro volta erano alcuni ordini di grandezza più sensibili del limite di rilevamento dei moderni rilevatori di perdite di elio. Per mettere questo in prospettiva, il carbonio dello spessore di un atomo è meno permeabile ai gas di una parete di vetro spessa un chilometro, " spiega Geim.

L'elio è il più permeante di tutti i gas, a causa dei suoi piccoli atomi che interagiscono debolmente. Ciò nonostante, i ricercatori hanno deciso di ripetere i loro esperimenti con altri gas come il neon, azoto, ossigeno, argon, krypton, xeno e idrogeno. Tutti loro non hanno mostrato permeazione con la stessa precisione ottenuta per l'elio, tranne che per l'idrogeno. A differenza di tutti gli altri, permeava relativamente rapidamente attraverso il grafene privo di difetti. Dottor Pengzhan Sun, il primo autore dell'articolo Nature, ha commentato "Questo è un risultato scioccante:una molecola di idrogeno è molto più grande di un atomo di elio. Se quest'ultimo non può passare, come mai le molecole più grandi possono farlo."

Grafene curvo per la dissociazione dell'idrogeno

Il team attribuisce l'inaspettata permeazione di idrogeno al fatto che le membrane di grafene non sono completamente piatte ma hanno molte increspature di dimensioni nanometriche. Questi agiscono come regioni cataliticamente attive e dissociano l'idrogeno molecolare assorbito in due atomi di idrogeno, una reazione che di solito è estremamente sfavorevole. Le increspature del grafene favoriscono la scissione dell'idrogeno, in accordo con la teoria. Quindi, gli atomi di idrogeno adsorbiti possono ribaltarsi sull'altro lato delle membrane di grafene con relativa facilità, analogamente alla permeazione dei protoni attraverso il grafene privo di difetti. Quest'ultimo processo era noto prima e spiegato dal fatto che i protoni sono particelle subatomiche, abbastanza piccolo da spremere attraverso il denso reticolo cristallino del grafene.

"Il nuovo risultato conferma (e fornisce una spiegazione per) alcuni dei precedenti rapporti in letteratura sull'attività catalitica inaspettatamente elevata del grafene, che era particolarmente controintuitivo a causa dell'estrema inerzia del suo genitore di massa, grafite, "dice Geim.

"Il nostro lavoro fornisce una base per comprendere perché il grafene può funzionare come catalizzatore, qualcosa che dovrebbe stimolare ulteriori ricerche sull'utilizzo del materiale in tali applicazioni in futuro, " aggiunge il dottor Sun. "In un certo senso, le nanoripple di grafene si comportano come particelle di platino, che sono anche noti per scindere l'idrogeno molecolare. Ma nessuno si aspettava questo da un grafene apparentemente inerte".