▲第一作者：Pengzhan Sun
通訊作者：Pengzhan Sun, Andre K. Geim
通訊單位：英國(guó)曼徹斯特大學(xué)
論文DOI: 10.1038/s41467-021-27347-9
科學(xué)界和工業(yè)界的研究人員和工程師們普遍認(rèn)為，具有原子尺度孔道的二維晶體將成為下一代分離技術(shù)的熱門候選，有望實(shí)現(xiàn)高通量和極限選擇性的有效結(jié)合。然而，對(duì)于原子尺度孔道的分子傳輸特性研究大多停留在理論層面，鮮有實(shí)驗(yàn)研究文獻(xiàn)報(bào)道。近日，來自英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的Andre K. Geim教授和Pengzhan Sun博士等人組成的研究團(tuán)隊(duì)在Nature Communications
（https://www.nature.com/articles/s41467-021-27347-9）上發(fā)文報(bào)道（圖1）[1]，利用低能低劑量電子束照射，可在微米尺寸懸空石墨烯薄膜中精確引入單個(gè)原子孔。所得原子孔的尺寸低至2埃左右，甚至比He、H2等最小的氣體分子還要小。通過精細(xì)測(cè)量不同氣體的傳輸過程發(fā)現(xiàn)，H2、He等小分子氣體可以輕松穿越所得原子孔，而CH4、Xe等大分子氣體的輸運(yùn)則被完全阻斷（圖2）。氣體分子在穿越原子孔的過程中需克服一定能量勢(shì)壘，該能壘與氣體分子動(dòng)力學(xué)直徑的平方成正比（圖3）。
▲圖2. 其中一種石墨烯原子孔的不同氣體室溫輸運(yùn)結(jié)果，箭頭表示測(cè)量下限
▲圖3. 全部三種石墨烯原子孔中不同氣體分子的輸運(yùn)能壘，能壘與分子動(dòng)力學(xué)直徑的二次方成正比
以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果的成功觀測(cè)源于兩點(diǎn)原因：1）氣體傳輸測(cè)量所用器件為高質(zhì)量機(jī)械剝離石墨烯薄膜密封微米尺寸單晶石墨腔體（圖4）[2]，該器件具有極高探測(cè)精度，可實(shí)現(xiàn)對(duì)流速低至每小時(shí)若干氣體分子的極弱傳輸過程的有效測(cè)量；2）該研究團(tuán)隊(duì)通過精確控制電子束的加速電壓（<10 kV）和逐步照射劑量（每步低至1個(gè)電子/100nm2），在微米尺寸石墨烯薄膜中引入單個(gè)原子孔，從而有效避免引入任何其他大尺寸孔道副產(chǎn)物，進(jìn)而呈現(xiàn)單個(gè)原子孔的真實(shí)分子輸運(yùn)特性。通過對(duì)所得氣體輸運(yùn)結(jié)果進(jìn)行仔細(xì)定量分析，該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，原子尺度孔道的分子輸運(yùn)機(jī)制主要涉及表面吸附和擴(kuò)散，該表面過程的引入對(duì)實(shí)現(xiàn)高選擇性所需孔道尺寸產(chǎn)生極大限制。研究人員指出，為使二維薄膜付諸實(shí)際分離應(yīng)用，有必要探尋具有較大尺寸本征晶格孔的二維材料，該類材料在自然界中廣泛存在，例如石墨炔。該研究團(tuán)隊(duì)接下來計(jì)劃探索具有類似尺寸晶格孔道的最優(yōu)二維材料，用以實(shí)現(xiàn)未來高效氣體分離技術(shù)的開發(fā)。綜上所述，該研究工作為原子尺度強(qiáng)限域下的選擇性分子傳輸提供基礎(chǔ)參考，并提出了埃尺度多孔二維薄膜所能達(dá)到的最優(yōu)性能極限。1. P. Z. Sun, et al. Exponentially selective molecular sieving through angstrom pores. Nature Communications, 2021, 12, 7170.2. P. Z. Sun, et al. Limits on gas impermeability of graphene. Nature, 2020, 579, 229.https://www.nature.com/articles/s41467-021-27347-9
