Una nuova ricerca condotta da scienziati della Delft University of Technology e dell'Università di Duisburg-Essen utilizza il movimento del grafene atomicamente sottile per identificare i gas nobili. Questi gas sono chimicamente passivi e non reagiscono con altri materiali, il che rende difficile rilevarli. I risultati sono riportati sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

Il grafene è un materiale in definitiva sottile costituito da un solo strato di atomi di carbonio. Il suo spessore atomico lo rende un perfetto materiale filtrante per gas e liquidi:il grafene di per sé non è permeabile, ma piccole perforazioni lo rendono molto permeabile. Inoltre, il materiale è tra i più resistenti conosciuti e resiste a sollecitazioni elevate. Insieme, queste due caratteristiche forniscono la base perfetta per nuovi tipi di sensori di gas.

Nano palloncini

Gli scienziati utilizzano palloncini microscopici fatti di grafene a doppio strato (con uno spessore di 0,7 nm), con perforazioni nanopori molto piccole con diametri fino a 25 nm, per rilevare i gas. Usano un laser per riscaldare il gas all'interno del pallone e farlo espandere. Il gas in pressione fuoriesce quindi attraverso la perforazione. "Immagina un palloncino che si sgonfia quando lasci uscire l'aria, " afferma il ricercatore della TU Delft Irek Rosłoń, "Misuriamo il tempo impiegato dal pallone per sgonfiarsi. Su una scala così piccola, questo accade molto rapidamente, entro circa 1/100.000 di secondo, e, cosa interessante, la durata dipende fortemente dal tipo di gas e dalla dimensione dei pori. Ad esempio elio, un gas leggero ad alta velocità molecolare, sfugge cinque volte più velocemente del krypton, un gas pesante e che si muove lentamente." Il metodo consente di distinguere i gas in base alla loro massa e alla velocità molecolare, che normalmente richiede grandi spettrometri di massa.

Pompaggio di gas

I palloncini di grafene sono continuamente guidati da una forza optotermica ad alte frequenze di 100 kHz, facendo sì che il gas venga pompato dentro e fuori molto rapidamente attraverso i nanopori. La permeazione del gas può essere studiata osservando il movimento meccanico del grafene. A basse frequenze di pompaggio, il gas ha tutto il tempo di fuoriuscire e non influisce in modo significativo sul movimento del grafene. Però, la membrana subisce una grande quantità di resistenza a frequenze di pompaggio maggiori, in particolare quando il periodo di pompaggio corrisponde al tempo tipico che impiega il gas a lasciare il pallone. "Misurando a varie frequenze, possiamo trovare quel picco nella resistenza. La frequenza alla quale si osserva un picco corrisponde alla velocità di permeazione del gas."

I ricercatori hanno esteso questa idea per studiare il flusso di gas attraverso i nanocanali. Collegare il pallone a un lungo canale rende molto più difficile la fuoriuscita del gas. L'aumento del tempo di deflazione fornisce informazioni sperimentali sulla meccanica del flusso di gas all'interno dei nanocanali. Del tutto, questo lavoro mostra come le straordinarie proprietà del grafene possano essere utilizzate per studiare la dinamica dei gas su scala nanometrica, nonché per progettare nuovi tipi di sensori e dispositivi. Nel futuro, questo può consentire a piccoli, sensori a basso costo e versatili per determinare la composizione di miscele di gas in applicazioni industriali o per il monitoraggio della qualità dell'aria.