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超快速气体流过一个原子薄膜中的最小孔–验证了流体动力学方程式已有百年历史

时间：2022-05-30 15:25:06 来源：

研究人员识别出通过2D膜中原子级孔径的超快气流，并验证了一个有着百年历史的流体动力学方程式。

曼彻斯特大学国家石墨烯研究所和宾夕法尼亚大学的研究人员确定了通过2D膜原子级孔径的超快速气流，并验证了一个有着百年历史的流体动力学方程式。

在《科学进展》上发表的一项研究中，曼彻斯特大学国家石墨烯研究所和宾夕法尼亚大学的研究人员已经确定了超快速气体流过单原子薄膜中最小的孔。

这项工作连同Penn的另一项有关创建这种纳米多孔膜的研究，为从水和气体净化到空气质量和能量收集监测的众多应用领域带来了希望。

20世纪初，丹麦著名物理学家马丁·努德森（Martin Knudsen）提出了描述气体流动的理论。新兴的较窄孔的新系统对克努森对气流的描述提出了挑战，但它们仍然有效，而且未知在减小尺寸的那一点上它们可能会失效。

由Radha Boya教授领导的曼彻斯特团队与由MarijaDrndić教授领导的宾夕法尼亚大学团队合作，首次证明了克努森的描述似乎在最终的原子极限上是正确的。

二维（2D）材料的科学发展迅速，现在研究人员制作一原子薄的膜已成为惯例。宾夕法尼亚州Drndić教授的小组开发了一种在二硫化钨单层上钻一个原子宽的孔的方法。但是，仍然存在一个重要的问题：检查原子尺度的孔是否通过并传导，而实际上并没有手动看到它们。以前确认孔是否存在以及是否具有预期大小的唯一方法是在高分辨率电子显微镜下检查孔。

博雅教授的团队开发了一种测量流过原子孔的气体的技术，然后将其用作量化孔密度的工具。她说：“尽管眼见为实，这是毫无疑问的，但由于只能在花式显微镜中看到原子孔，因此科学受到了很大的限制。在这里，我们拥有不仅可以测量气体流量的设备，还可以使用这些流量作为指导来估算膜中最初有多少个原子孔的设备。”

该研究的第一作者J Thiruraman说：“能够通过实验达到该原子尺度，并能够对该结构进行精确成像，从而使您更有信心地说它是那种大小和形状的孔，这是一个挑战。”

Drndić教授补充说：“在实验室中找到一些东西并创建可用的膜之间，存在很多设备物理学。伴随着技术和我们自己的方法的进步而来的，这里的新颖之处在于将其集成到您可以实际取出的设备中，如果您想到达曼彻斯特，则可以跨海运输并进行测量。”

曼彻斯特队的另一位主要撰稿人Ashok Keerthi博士说：“手动检查膜上大面积区域上的原子孔的形成是费力的，而且可能不切实际。在这里，我们使用一个简单的原理，膜所通过的气体量是对膜有多大孔隙的一种度量。”

所获得的气体流量比先前在文献中埃级孔隙中观察到的流量大了几个数量级。该研究将通过透射电子显微镜成像（局部测量）与气流（大规模测量）的原子孔密度的一对一关系进行了合并，并由该小组发表。来自曼彻斯特的合著者S Dar补充说：“令人惊讶的是，通过这样的小孔的流动没有/有最小的能量屏障。”

博雅教授补充说：“我们现在有了一种可靠的方法来确认使用气体流在大面积上形成原子孔，这是在各种领域中实现其预期应用的必不可少的步骤，包括分子分离，感测和监测超低浓度的气体。”

参考：Jothi Priyanka Thiruraman，Sidra Abbas Dar，Paul Masih Das，Nasim Hassani，Mehdi Neek-Amal，Ashok Keerthi，Marija Drndic和Boya Radha的“气体流经原子级孔径”，2020年12月18日，科学进展。DOI：
10.1126 / sciadv.abc7927

这项工作是通过国际合作进行的，其中包括曼彻斯特和费城的实验团队，以及伊朗的沙希德·拉吉大学和比利时的安特卫普大学的理论小组。

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