Бездефектный графен служит непреодолимым барьером для газов, в том числе для самого «пронырливого» – гелия. Исключение составляют молекулы водорода, которые при большем, чем у гелия, размере, казалось бы, должны еще хуже проникать сквозь графеновые соты. Тем не менее водород просачивается, установили физики из Манчестерского университета, Университета Неймегена и Уханьского университета под руководством нобелевского лауреата Андрея Гейма. Они же дали теоретическое объяснение этому явлению. Результаты опубликованы в журнале Nature.
Исследования, доказывающие непроницаемость графена для газов, ведутся с 2008 года [1, 2, 4]. Используемые до сих пор методики позволяли регистрировать потоки газа с точностью от 105 до 106 атомов в секунду через мембраны микрометрового размера. Андрей Гейм и команда нашли способ вести измерения с небывалой чувствительностью – до нескольких атомов в час.
Ученые пробурили в монокристаллическом графите или нитриде бора микрометровые скважины, плотно запечатали их пленкой однослойного бездефектного графена и поместили в атмосферу различных газов: гелий, неон, азот, кислород, аргон, криптон, ксенон и водород. В случае проникновения газа сквозь графен парциальное давление внутри скважины возрастало, пленка выгибалась, что регистрировалось с точность до ангстрема атомно-силовым микроскопом.
Полученные результаты подтвердили полную непроницаемость графена для используемых газов, включая гелий, молекулы которого имеют наименьший размер. Это согласуется с теоретическими расчетами свойственного графену крайне высокого энергетического барьера пропускания атомов и молекул (порядка нескольких электронвольт). «Углерод толщиной в один атом менее проницаем для газов, чем стена из стекла толщиной в один километр», – образно высказался Андрей Гейм.
Поэтому обнаруженный учеными факт существенного – 2х1010 атомов в секунду на квадратный метр – проникновения водорода сквозь графен сперва казался аномальным. «Это был шокирующий результат, – говорит первый автор статьи в Nature, доктор Пэнчжан Сун (Pengzhan Sun). – Молекула водорода существенно больше атома гелия. Если последний не может пройти сквозь графен, как же через него проходят более крупные молекулы?».
Противоречивое поведение водорода ученые объяснили особенностями его взаимодействия с поверхностью графена. При нормальных условиях графеновый лист никогда не бывает плоским. Он постоянно пульсирует и покрыт, словно рыбью, нанометровыми складками. Известно, что данные неровности способствуют катализу молекул водорода H2 – их расщеплению на два атома H. Отдельные атомы водорода затем поглощаются складками, при этом принадлежащий водороду электрон становится электроном проводимости графена. Лишившийся электрона водород превращается в протон, в качестве которого и проникает сквозь графен. А то, что графен хорошо пропускает отдельные протоны, объясняется их относительно низким энергетическим барьером проникновения (порядка одного электронвольта, в то время как энергетический барьер для молекулы водорода – свыше десяти электронвольт). А когда 2 протона проникли сквозь атомную структуру графена, то на выходе они снова соединяются в молекулу водорода! Вот так вот химия, друзья, хотя тут скорее физика.
- Наша работа предоставляет основу для понимания способности графена работать в качестве катализатора, что должно стимулировать дальнейшие исследования по применению этого свойства в будущем, - сказал Пэнчжан Сун (Pengzhan Sun).
РУСГРАФЕН комментирует:
- Мы вновь восхищены остроумием и изяществом, с которыми исследовательская команда Андрея Гейма ставит свои эксперименты. Очередных статей коллег из Манчестерского университета мы ждем с нетерпением, словно новых серий любимого сериала.
Одно из множества удивительных свойств графена нашло своей предварительное объяснение. Надеемся, это ускорит процесс разработки недорогих эффективных и экологичных графеновых заменителей платины, используемой сейчас в топливных элементах.