石墨烯氣體通透極限的最新研究成果

3月11日，Nature (《自然》) 在線發表了物理科學與技術學院袁聲軍教授與國內外研究團隊關於石墨烯氣體通透極限的最新研究成果。

論文題為“Limits on gas impermeability of graphene”，袁聲軍和曼切斯特大學教授、諾獎得主安德烈·海姆（Prof. Sir Andre Geim）為共同通訊作者。

以單層石墨烯為代表的二維材料，雖然隻有一個原子層的厚度，卻被認為不具有氣體和液體透過性。理論計算表明，無缺陷的單層石墨烯對氣體分子的透過性具有非常高的能壘，在常規條件下任何氣體都不能透過。如在室溫下，一個分子想要透過一張沒有缺陷的石墨烯薄膜，理論計算表明其花費的時間將比宇宙的曆史還要漫長。那麼，無缺陷的石墨烯對氣體到底是不是真的不可透過？其極限到底是多少？

安德烈·海姆領銜的實驗團隊和袁聲軍的理論團隊合作，通過實驗與理論計算證實了無缺陷石墨烯的不可透過性，拓展了不可透過性的極限，並揭示了氫氣在石墨烯中的異常透過性機理。研究使用無缺陷單層石墨烯密封的小型單晶容器為實驗裝置，發現石墨烯對多數氣體確實具有不可透過性，其檢測精度比之前的實驗提高了8-9個數量級。在這樣超高的檢出條件下可探測每小時隻有幾個氦原子的通量。並且對幾乎所有其他氣體（氖氣，氮氣，氧氣，氬氣，和氙氣），這一行為均表現一致，隻有氫氣除外。

理論上氫分子比氦分子大，直接透過將經曆更高的勢壘，但是氫氣卻表現出更加明顯的透過性。對於這一反常的實驗現象，袁聲軍教授團隊通過對大量不同構型的石墨烯結構進行理論計算，找到了這一異常結果的主要機理：一是石墨烯上如波紋狀的自發起伏具有催化活性，可大大降低氫氣分子裂解吸附的活化能。這種自發起伏隨著溫度的升高而增大增多，氫分子裂解活化能可最低降至1電子伏以下；二是被吸附的氫原子以較低能量翻轉到石墨烯薄膜的另一側，接近質子傳遞所需要的能量。

這項研究為二維材料的氣體通透極限提供了重要的實驗數據和理論解釋，也為石墨烯的研究指明了新的方向。這樣的基礎研究，往往都將開辟一個全新的領域。

這項工作的共同作者還包括袁聲軍團隊的博士生熊文奇（武漢大學物理科學與技術學院）和博士後於進（荷蘭奈梅亨大學）。該工作得到了國家重點研發計劃（2018YFA0305800）和武漢大學超級計算中心的支持。

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