超快气体流过一个原子薄膜中最微小的孔 - 验证流体动力学的世纪旧方程

二硫化钨膜

研究人员识别出了二维薄膜中原子尺度孔径下的超高速气体流动,并验证了一个百年之久的流体动力学方程。资料来源:N Hassani和M N- amal, Shahid Rajee大学

曼彻斯特大学国家石墨烯研究所的研究人员通过2D膜中的原子尺度孔确定超快速气体,并验证了一个百年历史的流体动力学方程。

曼彻斯特大学国家石墨烯研究所的研究人员和宾夕法尼亚州大学已经确定了超快气体流过一个 -原子这一研究发表在《科学》杂志上科学推进

该工作 - 与Penn创建此类纳米多孔膜的另一个研究 - 持有许多应用领域的承担,从水和天然气净化到监测空气质量和能量收集。

在20世纪初,着名的丹麦物理学家马丁卡努森制定了描述气体流动的理论。新兴的较窄孔隙系统挑战了气体流动的knudsen描述,但它们保持有效,并且在这种情况下,它们可能会失败的缩小点。

曼彻斯特团队 - 由Radha Boya教授与宾夕法尼亚大学团队合作领导,由MarijaDrndić教授领导 - 这是第一次显示Knudsen的描述似乎在最终的原子限制奠定了真实。

二维(2D)材料的科学正在迅速发展,现在制造单原子薄膜已成为研究人员的常规工作。教授Drndić集团在宾夕法尼亚州的钻孔方法开发的,一个原子宽,单层的二硫化钨。然而,还有一个重要的问题:检查原子尺度的孔洞是否一个接一个穿过并传导,而不用手动观察它们。在此之前,确认孔洞是否存在以及其大小的唯一方法是在高分辨率电子显微镜中进行检查。

教授Boya的团队开发了一种测量气体流动通过原子孔的技术,而且又使用流量作为量化孔密度的工具。她说:“虽然看到相信是毋庸置疑的,但是通过能够只能在花哨的显微镜中看到原子毛孔,科学已经非常有限。在这里,我们通过它通过它,我们不仅可以测量气体流动,还可以使用流量作为估计膜中有多少原子孔以开始的指南。“

该研究的共同第一作者J Thiruraman说:“能够通过实验达到这种原子尺度,并对这种结构进行精确成像,这样你就可以更确信它是一个大小和形状相同的孔隙,这是一个挑战。”

教授Drndić说:“有很多设备之间的物理发现一些在实验室和创建一个可用的膜。这是随着技术的进步和我们自己的方法而来的。这里的创新之处在于,把它集成到一个设备中,你可以实际携带,如果你愿意,可以通过海洋运输到曼彻斯特,并进行测量。”

曼彻斯特队的另一个领先作者Ashok Keerthi博士说:“手动检查膜上大面积的原子孔的形成是艰苦的,可能是不切实际的。在这里,我们使用简单的原理,膜通过的气体量是衡量它的多孔。“

所实现的气体流量比在文献中的抗埃鳞孔隙中的先前观察到的流动大小的几个数量级。通过透射电子显微镜成像(本地测量)和来自气流(按大规模测量)的一对一相关的透射电子显微性(测量)由该研究组合并由团队出版。曼彻斯特的一个共同作者达成了曼彻斯特的共同作者:“令人惊讶的是,通过这种微小的孔的流动没有/最小的能量屏障。”

博亚教授补充说:“我们现在有了一种可靠的方法,可以利用气体流动来确认在大片区域上原子孔径的形成,这是实现其在分子分离、超低浓度气体的传感和监测等各个领域的潜在应用的必要步骤。”

参考:2020年12月18日,Jothi Priyanka Thiruraman, Sidra Abbas Dar, Paul Masih Das, Nasim Hassani, Mehdi nek - amal, Ashok Keerthi, Marija Drndic和Boya Radha的《气体通过原子尺度孔径的流动》科学推进
DOI: 10.1126 / sciadv.abc7927

这项工作是通过国际合作进行的,包括来自曼彻斯特和费城的实验团队,以及来自伊朗Shahid Rajee大学和比利时安特卫普大学的理论团队。

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