Фізики продемонстрували, що вважалася встановленою непроникність бездефектного графена для всіх рідин і газів, виконується не для всіх речовин. У нових, на порядки більш точних, експериментах вчені зафіксували просочування водню і підтвердили відсутність пропускання інших газів, у тому числі гелію, атоми якого істотно менші, ніж молекули водню. Мабуть, виявлений процес пов'язаний із взаємодією водню зі складками і хвилями на поверхні речовини, пишуть автори в журналі.
Графен - це одна з модифікацій чистого вуглецю, яка являє собою аркуші одноатомної товщини з шестикутною структурою зв'язків. Графен має величезний список виняткових і незвичайних властивостей, які роблять його цікавим як з точки зору фундаментальної науки, так і в плані потенційних застосувань. Однак вчені поки не придумали дешевого масштабованого способу синтезу високоякісного графену, тому він, в першу чергу, залишається предметом цікавості фізиків і матеріалознавців.
Однією з важливих властивостей графена є вкрай високий енергетичний бар'єр пропускання атомів і молекул. Розрахунки на основі теорії функціоналу щільності передбачають значення не менше декількох електронвольт, що повинно повністю запобігати проникненню будь-яких рідин або газів при нормальних умовах. Ці результати підтверджували експериментами, в яких точності вистачало для реєстрації потоків крізь графен в десятки тисяч атомів в секунду.
Фізики з Манчестерського університету, Університету Неймегена і Уханьського університету під керівництвом лауреата Нобелівської премії Андрія Гейма (Andre Geim) провели нову серію дослідів, в яких змогли домогтися збільшення чутливості на 8-9 порядків порівняно з попередніми експериментами. Виявилося, що графен з точністю до декількох атомів на годину дійсно непроникний для гелію, неона, азоту, кисню, аргону, криптона і ксенона. Однак це виявилося не так у випадку водню, що потребувало окремого теоретичного пояснення.
Для експерименту фізики виконували в монокристалічному графіті або нітриді бора колодязі мікрометрового діаметру і глибиною близько 50 нанометрів, а потім щільно покривали їх зверху одношаровою мембраною з графена. Отримані мікроконтейнери поміщали в атмосферу з різних газів, а за можливим проникненням речовин всередину нього стежили по викривленню мембрани.
Оскільки всередині мікроконтейнера була суміш різних газів (повітря), а зовні від нього - чиста речовина, то парціальний тиск по різні боки мембрани відрізнявся. Якби графен був проникним для даного складу навколишнього газу, то він би поступово проникав всередину контейнера, збільшував там тиск і призводив до здуття мембрани. Для визначення ефекту автори використовували атомно-силовий мікроскоп.
В дослідах брало участь понад дюжини контейнерів, а в різних атмосферах вони перебували до місяця. В результаті ніякого помітного потоку крізь мембрану будь-яких досліджених газів, крім водню, виявлено не було. Отримана верхня оцінка темпу проникнення в мільярд атомів в секунду на квадратний метр у разі гелію, який володіє найменшими атомами і вважається найбільш «пронирливою» речовиною, робить одношаровий графен менш проникним, ніж кілометровий шар кварцового скла. Це відповідає енергетичному бар'єру понад 1,2 електронвольт.
Виняток склали лише молекули водню, які проникали в помітних кількостях всередину мікроконтейнерів, хоча за розміром вони набагато більші атомів гелію. Теоретичні оцінки показують, що енергетичний бар'єр для молекулярного водню перевищує десять електронвольт, а для атомарного знаходиться в діапазоні від 2,6 до 4,6 електронвольт, але для розпаду однієї молекули потрібна додаткова енергія ще близько 4,5 електронвольт. Виміряна проникність виявилася рівною 2 1010 частинок в секунду на квадратний метр і, незважаючи на впевнену реєстрацію в рамках даної роботи, іншим способом настільки малі потоки зафіксувати не вийде.
Досліди з воднем повторили при різних значеннях температури. Виявилося, що потік змінюється експоненційно у згоді із законом Арреніуса, що дозволило експериментально визначити енергетичний бар'єр, він виявився рівним 1,0 0,1 електронвольт. Це відносно невелике значення набагато нижче, ніж його теоретичні оцінки.
Автори припускають, що проникність водню обумовлена хімічними реакціями з графеном. Відомо, що різні неоднорідності графену, такі як нанорозмірні складки, які завжди присутні при кімнатній температурі, призводять до каталітичної дисоціації молекул водню. Також вже було встановлено, що одношаровий графен добре пропускає окремі протони, а енергетичний бар'єр в такому випадку становить якраз близько одного електронвольту.
Вчені висувають наступний сценарій взаємодії водню з графеном. Спершу молекула розділяється на атоми і поглинається складкою поверхні, а електрон, що належав водню, при цьому стає електроном провідності графену, перетворюючи водень на окремий протон. Протон, що залишився, потім «перестрибує» на протилежний бік мембрани і в підсумку відокремлюється від неї. Така схема дозволяє пояснити всі наявні дані, в тому числі незафіксоване проходження крізь мембрану молекул дейтерію в повній згоді з пригніченим проникненням дейтронів, виміреним в інших експериментах.
Раніше вчені поліпшили каталітичні властивості графена пташиним послідом і знайшли спосіб отримувати його з покидьків. Перевірити свої знання про найтонший матеріал у світі можна на нашому тесті «Графен або графин».