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用“石墨烯气球”成功检测稀有气体

用“石墨烯气球”成功检测稀有气体

稀有气体能用石墨烯传感器进行识别。

稀有气体是一种惰性化学气体,它难以与其他材料发生反应,因此检测难度非常高。《自然通讯》杂志当地时间11月27日报道,荷兰代尔夫特理工大学和德国杜伊斯堡-埃森大学的科学家们借助原子级石墨烯气球的运动,成功识别了稀有气体。

石墨烯只包含一层碳原子,这种超薄特性使其成为过滤气体、液体的理想材料。细小的贯穿孔可以赋予石墨烯极好的渗透性;此外,它还是已知的最强韧材料之一,可以承受非常高的应力。这两种特性使得利用石墨烯制造新型气体传感器具备了可行性。

首先,研究人员用双层石墨烯(厚度约0.7纳米)制造了微型气球,气球上分布着直径不足25纳米的小型纳米气孔。接着,科学家用激光加热了气球内的气体,使其膨胀,然后通过气孔逸出。

代尔夫特理工大学研究人员Irek Rosłoń解释说:“通过测量气球的放气时间,我们能够分析出气体种类。放气时间很大程度上与气体类型和气孔直径有关。例如,质量小、分子速度极高的氦,其逸出速度是氪的5倍左右。”

研究人员表示,这种方法可以帮助他们根据质量和分子速度来区分气体,而不再需要大型质谱仪。

在100千赫的高频光热力持续驱动下,气体能经由石墨烯气球上的纳米气孔迅速泵入、泵出。研究人员通过观察石墨烯气球的机械运动,能够分析气体的渗透情况:在较低的泵运频率下,气体的逸出时间比较充足,石墨烯的运动不会受到显著影响。增加泵运频率,气球膜受到的阻力增强——当泵运周期与气体泵出典型时间相对应时,阻力增强效果更为明显。

Rosłoń说:“通过改变频率,我们能够找出阻力峰值,峰值出现的频率与气体渗透速度相关联。”

研究人员还将这一测量方法扩展到了纳米通道内的气体流动研究中。他们将气球与一条很长的纳米通道相连,使气体更难逸出。放气时间的延长,为纳米通道内的气体流动力学分析提供了充足的实验依据。

在未来,“石墨烯气球”技术有望用于制造小型、低成本的多功能传感器,以确定气体混合物的组成或监测空气质量。

编译:雷鑫宇 审稿:西莫 责编:陈之涵

期刊来源:《自然通讯》

期刊编号:2041-1723

原文链接:https://phys.org/news/2020-11-graphene-balloons-noble-gases.html

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