用「石墨烯氣球」成功檢測稀有氣體

稀有氣體能用石墨烯傳感器進行識別。

稀有氣體是一種惰性化學氣體，它難以與其他材料發生反應，因此檢測難度非常高。《自然通訊》雜誌當地時間11月27日報導，荷蘭代爾夫特理工大學和德國杜伊斯堡-埃森大學的科學家們藉助原子級石墨烯氣球的運動，成功識別了稀有氣體。

石墨烯只包含一層碳原子，這種超薄特性使其成為過濾氣體、液體的理想材料。細小的貫穿孔可以賦予石墨烯極好的滲透性；此外，它還是已知的最強韌材料之一，可以承受非常高的應力。這兩種特性使得利用石墨烯製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）製造了微型氣球，氣球上分布著直徑不足25納米的小型納米氣孔。接著，科學家用雷射加熱了氣球內的氣體，使其膨脹，然後通過氣孔逸出。

代爾夫特理工大學研究人員Irek Rosłoń解釋說：「通過測量氣球的放氣時間，我們能夠分析出氣體種類。放氣時間很大程度上與氣體類型和氣孔直徑有關。例如，質量小、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質量和分子速度來區分氣體，而不再需要大型質譜儀。

在100千赫的高頻光熱力持續驅動下，氣體能經由石墨烯氣球上的納米氣孔迅速泵入、泵出。研究人員通過觀察石墨烯氣球的機械運動，能夠分析氣體的滲透情況：在較低的泵運頻率下，氣體的逸出時間比較充足，石墨烯的運動不會受到顯著影響。增加泵運頻率，氣球膜受到的阻力增強——當泵運周期與氣體泵出典型時間相對應時，阻力增強效果更為明顯。

Rosłoń說：「通過改變頻率，我們能夠找出阻力峰值，峰值出現的頻率與氣體滲透速度相關聯。」

研究人員還將這一測量方法擴展到了納米通道內的氣體流動研究中。他們將氣球與一條很長的納米通道相連，使氣體更難逸出。放氣時間的延長，為納米通道內的氣體流動力學分析提供了充足的實驗依據。

在未來，「石墨烯氣球」技術有望用於製造小型、低成本的多功能傳感器，以確定氣體混合物的組成或監測空氣品質。

原創編譯：雷鑫宇 審稿：西莫 責編：陳之涵

期刊來源：《自然通訊》

期刊編號：2041-1723

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

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