 Графен, прочная и легкая углеродная сотовая структура толщиной в один атом, имеет большие перспективы для исследований и развития энергетики. Недавно ученые показали, что графен может использоваться в качестве протон-селективной мембраны, обеспечивая новую основу для рационализации и более эффективных энергетических технологий, таких как улучшенные топливные элементы. Их работа выявляет беспрецедентное движение протонов через присущие дефекты атомного масштаба в графене.
Теперь можно взять барьер, сделать очень тонким, как графен, и изменить его так, чтобы строить ворота на молекулярном уровне. Объединение свой опыт, ученые исследовали механизмы и структуру графена, используя многогранный теоретический, экспериментальный и вычислительный подход.
Имея жесткую решетки углерода, напоминающую проволочную сетку, чистый графен считается непроницаемым. Современные исследования, однако, показали, что в водных растворах, графен позволяет удивительному числу протонов проходить через его атомную структуру.
Первый шаг исследователей было создание атомно тонкий слой графена на плавленом кварце. Ученые проанализировали графен, используя корректируемый абберацией электронный сканирующий микроскоп. Мощный микроскоп обеспечивает прямую визуализацию отдельных атомов углерода соседних шестиугольников, которые составляют графена.
Исследователи смогли сосредоточиться на редких, естественных дефектах атомного масштаба в графене, которые позволили водным протонами «прыгать» через отверстия в тонком и прочном единственном слое.
Ученые позже изолировалт пути движения протонов. Создавая однослойный кусочек графена на кварцевом стекле, отделенном от стекла простыми молекулами воды, ученые разработали ловушку для перескакивающих протонов. Изменяя кислотность водного раствора по обе стороны слоя графена они показали скрытый механизм стробирования в структуре материала, который они смогли обнаружить с помощью лазерного метода, называемого генерацией второй гармоники.
Основным преимуществом генерации второй гармоники является то, что она очень чувствительны к химии в интерфейсе или, в данном случае, нанометровой средой между водным раствором и поверхностью кремния. Это острая чувствительность и тот факт, что эти эксперименты могут быть запущены без разрушения имеют важнейшее значение для нашей способности захватить экспериментальное доказательство передачи протонов через графен.
Используя вычислительные методы для анализа конфигурации дефектов в графене, исследователи выделили случаи передачи протонов в дефектных местах. Кроме того, команда продемонстрировала, что даже самое маленькие из молекул, водорода и гелия, не в состоянии пройти через ворота протонов при нормальных условиях.
И, наконец, когда они были в состоянии поставить все куски вместе, они сделали окончательный заявление, что, несмотря на наличие высоко энергичного барьера для переноса протона через графена, если опустить этот энергетический барьер, то это позволит протоны проходят прямо через него. Это открывает новый путь для разработки графена атомного масштаба.
Хотя ученые сосредоточены на основной механике графеновых поверхностей, результаты этого исследования открывают двери для дальнейшего развития графена через экономию энергии и за дальнейшие пределы. Изоляция отдельных механизмов ионного переноса и структурные пробелы в графене могут способствовать улучшению производства, транспортировки и использования энергии.
|
