稀有氣體能用石墨烯傳感器進(jìn)行識(shí)別。
稀有氣體是一種惰性化學(xué)氣體，它難以與其他材料發(fā)生反應(yīng)，因此檢測(cè)難度非常高。《自然通訊》雜志當(dāng)?shù)貢r(shí)間11月27日?qǐng)?bào)道，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)和德國(guó)杜伊斯堡-埃森大學(xué)的科學(xué)家們借助原子級(jí)石墨烯氣球的運(yùn)動(dòng)，成功識(shí)別了稀有氣體。
石墨烯只包含一層碳原子，這種超薄特性使其成為過(guò)濾氣體、液體的理想材料。細(xì)小的貫穿孔可以賦予石墨烯極好的滲透性；此外，它還是已知的最強(qiáng)韌材料之一，可以承受非常高的應(yīng)力。這兩種特性使得利用石墨烯制造新型氣體傳感器具備了可行性。
首先，研究人員用雙層石墨烯（厚度約0.7納米）制造了微型氣球，氣球上分布著直徑不足25納米的小型納米氣孔。接著，科學(xué)家用激光加熱了氣球內(nèi)的氣體，使其膨脹，然后通過(guò)氣孔逸出。
代爾夫特理工大學(xué)研究人員Irek Ros?oń解釋說(shuō)：“通過(guò)測(cè)量氣球的放氣時(shí)間，我們能夠分析出氣體種類(lèi)。放氣時(shí)間很大程度上與氣體類(lèi)型和氣孔直徑有關(guān)。例如，質(zhì)量小、分子速度極高的氦，其逸出速度是氪的5倍左右。”
研究人員表示，這種方法可以幫助他們根據(jù)質(zhì)量和分子速度來(lái)區(qū)分氣體，而不再需要大型質(zhì)譜儀。
在100千赫的高頻光熱力持續(xù)驅(qū)動(dòng)下，氣體能經(jīng)由石墨烯氣球上的納米氣孔迅速泵入、泵出。研究人員通過(guò)觀察石墨烯氣球的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，能夠分析氣體的滲透情況：在較低的泵運(yùn)頻率下，氣體的逸出時(shí)間比較充足，石墨烯的運(yùn)動(dòng)不會(huì)受到顯著影響。增加泵運(yùn)頻率，氣球膜受到的阻力增強(qiáng)——當(dāng)泵運(yùn)周期與氣體泵出典型時(shí)間相對(duì)應(yīng)時(shí)，阻力增強(qiáng)效果更為明顯。
Ros?oń說(shuō)：“通過(guò)改變頻率，我們能夠找出阻力峰值，峰值出現(xiàn)的頻率與氣體滲透速度相關(guān)聯(lián)。”
研究人員還將這一測(cè)量方法擴(kuò)展到了納米通道內(nèi)的氣體流動(dòng)研究中。他們將氣球與一條很長(zhǎng)的納米通道相連，使氣體更難逸出。放氣時(shí)間的延長(zhǎng)，為納米通道內(nèi)的氣體流動(dòng)力學(xué)分析提供了充足的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
在未來(lái)，“石墨烯氣球”技術(shù)有望用于制造小型、低成本的多功能傳感器，以確定氣體混合物的組成或監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量。
原創(chuàng)編譯：雷鑫宇 審稿：西莫 責(zé)編：陳之涵
期刊來(lái)源：《自然通訊》
期刊編號(hào)：2041-1723
原文鏈接：https://phys.org/news/2020-11-graphene-balloons-noble-gases.html
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