I ricercatori del National Graphene Institute dell'Università di Manchester e dell'Università della Pennsylvania hanno identificato flussi di gas ultraveloci attraverso i più piccoli fori in membrane sottili un atomo, in uno studio pubblicato su Progressi scientifici .

Il lavoro, insieme a un altro studio di Penn sulla creazione di tali membrane nano-porose, promette numerose aree di applicazione, dalla depurazione dell'acqua e del gas al monitoraggio della qualità dell'aria e alla raccolta di energia.

All'inizio del XX secolo, il famoso fisico danese Martin Knudsen ha formulato teorie per descrivere i flussi di gas. Nuovi sistemi emergenti di pori più stretti hanno sfidato le descrizioni di Knudsen dei flussi di gas, ma rimasero validi e non si sapeva fino a che punto della scala decrescente avrebbero potuto fallire.

Il team di Manchester, guidato dal professor Radha Boya, in collaborazione con il team dell'Università della Pennsylvania, guidato dalla professoressa Marija Drndic, ha mostrato per la prima volta che la descrizione di Knudsen sembra essere vera al limite atomico ultimo.

La scienza dei materiali bidimensionali (2-D) sta progredendo rapidamente ed è ormai routine per i ricercatori realizzare membrane sottili come un atomo. Il gruppo del professor Drndic in Pennsylvania ha sviluppato un metodo per praticare fori, un atomo di larghezza, su monostrato di solfuro di tungsteno. Rimaneva una domanda importante, però:per verificare se i fori su scala atomica erano passanti e conduttivi, senza effettivamente vederli manualmente, uno per uno. L'unico modo in precedenza per confermare se i fori erano presenti e della dimensione prevista, era di ispezionarli in un microscopio elettronico ad alta risoluzione.

Il team del professor Boya ha sviluppato una tecnica per misurare i flussi di gas attraverso i fori atomici, e, a sua volta, utilizzare il flusso come strumento per quantificare la densità del foro. Ha detto:"Anche se è fuor di dubbio che vedere è credere, la scienza è stata praticamente limitata dall'essere in grado di vedere solo i pori atomici in un microscopio di fantasia. Qui abbiamo dispositivi attraverso i quali possiamo non solo misurare i flussi di gas, ma usa anche i flussi come guida per stimare quanti buchi atomici c'erano nella membrana per cominciare."

J Thiruraman, il co-primo autore dello studio, disse:"Essere in grado di raggiungere sperimentalmente quella scala atomica, e per avere l'immagine di quella struttura con precisione in modo da poter essere più sicuri che sia un poro di quelle dimensioni e forma, è stata una sfida».

Il professor Drndic ha aggiunto:"C'è molta fisica dei dispositivi tra la ricerca di qualcosa in un laboratorio e la creazione di una membrana utilizzabile. Ciò è avvenuto con il progresso della tecnologia e della nostra metodologia, e ciò che è nuovo qui è integrarlo in un dispositivo che puoi effettivamente estrarre, trasporto attraverso l'oceano se lo desideri [a Manchester], e misurare."

Dottor Ashok Keerthi, un altro autore principale della squadra di Manchester, ha dichiarato:"L'ispezione manuale della formazione di buchi atomici su ampie aree su una membrana è scrupolosa e probabilmente poco pratica. Qui usiamo un principio semplice, la quantità di gas che la membrana lascia passare è una misura di quanto sia bucata."

I flussi di gas ottenuti sono diversi ordini di grandezza più grandi dei flussi precedentemente osservati nei pori della scala angstrom in letteratura. Questo studio ha combinato e pubblicato dal team una correlazione uno a uno delle densità di apertura atomica mediante imaging al microscopio elettronico a trasmissione (misurato localmente) e dai flussi di gas (misurati su larga scala). S Dar, un coautore di Manchester ha aggiunto:"Sorprendentemente non c'è alcuna barriera energetica minima al flusso attraverso fori così piccoli".

Il professor Boya ha aggiunto:"Ora disponiamo di un metodo robusto per confermare la formazione di aperture atomiche su vaste aree utilizzando flussi di gas, che è un passo essenziale per perseguire le loro potenziali applicazioni in vari domini tra cui la separazione molecolare, rilevamento e monitoraggio di gas a bassissime concentrazioni."