2020年3月11日，武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院袁聲軍及英國曼徹斯特曼徹斯特大學(xué)物理與天文學(xué)系A(chǔ). K. Geim共同通訊在Nature 在線發(fā)表題為“Limits on gas impermeability of graphene”的研究論文，該研究使用用石墨烯緊密密封的小型單晶容器，顯示出無缺陷的石墨烯是不可滲透的，其精度比以前的實驗高八到九個數(shù)量級。該研究能夠辨別(但沒有觀察到)每小時只有幾個氦原子的滲出，并且此檢出限對所有測試的其他氣體(氖氣，氮氣，氧氣，氬氣，氪氣和氙氣)均有效，氫氣除外。該研究工作為二維材料的不可滲透性提供了重要參考，并且從基本的角度及其潛在應(yīng)用意義很重要。
從理論上講，單層石墨烯對原子和分子的滲透構(gòu)成了非常高的能壘。密度泛函理論(DFT)的計算表明，能壘E至少為幾個電子伏，這在環(huán)境條件下阻止任何氣體滲透。確實，可以估算出在室溫下，找到一個足以穿透任何現(xiàn)實尺寸的無缺陷膜的原子，所花費的時間將比宇宙的壽命長。使用在氧化硅晶圓上蝕刻的微米級孔實現(xiàn)了較高的靈敏度，這些孔用石墨烯密封。
在這些測量中，加壓氣體(例如，氦氣)可能會沿著SiO2層滲透并逐漸填充微容器，從而形成所謂的納米氣球。使用原子力顯微鏡(AFM)監(jiān)測了它們在空氣中的連續(xù)放氣，結(jié)果表明，泄漏僅在SiO2表面發(fā)生，在幾分鐘之內(nèi)發(fā)生，而與用于密封的石墨烯層數(shù)無關(guān)。這些研究得出的結(jié)論是，石墨烯膜不能滲透所有氣體。通過在石墨烯納米氣球中產(chǎn)生單個原子級缺陷，這進一步得到了證實，這導(dǎo)致了它們相對快速的放氣/充氣，并證實了該方法異常高的靈敏度。
無缺陷的石墨烯對氦氣的不滲透性
在該研究中，使用用石墨烯緊密密封的小型單晶容器，顯示出無缺陷的石墨烯是不可滲透的，其精度比以前的實驗高八到九個數(shù)量級。該研究能夠辨別(但沒有觀察到)每小時只有幾個氦原子的滲出，并且此檢出限對所有測試的其他氣體(氖氣，氮氣，氧氣，氬氣，氪氣和氙氣)均有效，氫氣除外。
氫顯示出明顯的滲透性，即使其分子比氦大，并且應(yīng)該經(jīng)歷更高的能壘。令人費解的觀察結(jié)果歸因于一個兩階段過程，該過程涉及分子氫在催化活性石墨烯波紋處解離，然后被吸附的原子以約1.0電子伏特的較低活化能翻轉(zhuǎn)到石墨烯片的另一側(cè)，該值接近以前報道的質(zhì)子運輸。該研究工作為二維材料的不可滲透性提供了重要參考，并且從基本的角度及其潛在應(yīng)用意義很重要。
室溫下，氫氣可滲透無缺陷的石墨烯
總而言之，無缺陷的石墨烯在室溫下完全不滲透所有原子和分子種類，但是氫的滲透不可忽略。如有必要，可以使用雙層石墨烯或其他2D材料(例如單層MoS2)來阻止氫氣的滲透。
背景
從理論上講，單層石墨烯對原子和分子的滲透構(gòu)成了非常高的能壘。密度泛函理論(DFT)的計算表明，能壘E至少為幾個電子伏，這在環(huán)境條件下阻止任何氣體滲透。但是，到現(xiàn)在為止，還是缺乏有力的證據(jù)。
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