用“石墨烯气球”成功检测稀有气体

稀有气体能用石墨烯传感器进行识别。

稀有气体是一种惰性化学气体，它难以与其他材料发生反应，因此检测难度非常高。《自然通讯》杂志当地时间11月27日报道，荷兰代尔夫特理工大学和德国杜伊斯堡-埃森大学的科学家们借助原子级石墨烯气球的运动，成功识别了稀有气体。

石墨烯只包含一层碳原子，这种超薄特性使其成为过滤气体、液体的理想材料。细小的贯穿孔可以赋予石墨烯极好的渗透性；此外，它还是已知的最强韧材料之一，可以承受非常高的应力。这两种特性使得利用石墨烯制造新型气体传感器具备了可行性。

首先，研究人员用双层石墨烯（厚度约0.7纳米）制造了微型气球，气球上分布着直径不足25纳米的小型纳米气孔。接着，科学家用激光加热了气球内的气体，使其膨胀，然后通过气孔逸出。

代尔夫特理工大学研究人员Irek Rosoń解释说：“通过测量气球的放气时间，我们能够分析出气体种类。放气时间很大程度上与气体类型和气孔直径有关。例如，质量小、分子速度极高的氦，其逸出速度是氪的5倍左右。”

研究人员表示，这种方法可以帮助他们根据质量和分子速度来区分气体，而不再需要大型质谱仪。

在100千赫的高频光热力持续驱动下，气体能经由石墨烯气球上的纳米气孔迅速泵入、泵出。研究人员通过观察石墨烯气球的机械运动，能够分析气体的渗透情况：在较低的泵运频率下，气体的逸出时间比较充足，石墨烯的运动不会受到显著影响。增加泵运频率，气球膜受到的阻力增强——当泵运周期与气体泵出典型时间相对应时，阻力增强效果更为明显。

Rosoń说：“通过改变频率，我们能够找出阻力峰值，峰值出现的频率与气体渗透速度相关联。”

研究人员还将这一测量方法扩展到了纳米通道内的气体流动研究中。他们将气球与一条很长的纳米通道相连，使气体更难逸出。放气时间的延长，为纳米通道内的气体流动力学分析提供了充足的实验依据。

在未来，“石墨烯气球”技术有望用于制造小型、低成本的多功能传感器，以确定气体混合物的组成或监测空气质量。

原创编译：雷鑫宇 审稿：西莫 责编：陈之涵

期刊来源：《自然通讯》

期刊编号：2041-1723

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

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