Los gases fluyen a través de una membrana porosa a velocidades ultraaltas incluso cuando el diámetro de los poros se aproxima a la escala atómica. Este hallazgo de investigadores de la Universidad de Manchester en el Reino Unido y de la Universidad de Pensilvania en los EE. y monitoreo de la calidad del aire.

La permeación de gas a través de poros de tamaño nanométrico es de naturaleza ubicua y tecnológicamente importante, explica el director de Manchester. Radha Boyá, quien dirigió el esfuerzo de investigación junto con Marija Drndić en Pensilvania. Debido a que el diámetro de estos poros estrechos es mucho más pequeño que el camino de difusión libre promedio de las moléculas de gas, el flujo de las moléculas se puede describir usando un modelo desarrollado por el físico danés Martin Knudsen en las primeras décadas del s.^th siglo. Durante el llamado flujo de Knudsen, las moléculas que se difunden se dispersan aleatoriamente desde las paredes de los poros en lugar de chocar entre sí.

Sin embargo, hasta ahora, los investigadores no sabían si el flujo de Knudsen podría romperse si los poros se volvían lo suficientemente pequeños. Boya, Drndić y sus colegas ahora han demostrado que el modelo se mantiene incluso en el límite máximo de escala atómica.

Medición del flujo de gas a través de orificios de tamaño atómico

El equipo de Manchester-Pennsylvania realizó sus experimentos en agujeros de 0.3 nm de ancho perforados en una monocapa de disulfuro de tungsteno (WS₂), un material bidimensional. Hasta hace poco, la única manera de comprobar que tales agujeros estaban presentes y eran del tamaño correcto era inspeccionar muestras terminadas usando microscopía de transmisión de barrido con corrección de aberraciones de alta resolución (AC-STEM). Si bien este método de "inspección manual" es preciso, también es minucioso, dice un miembro del equipo. Ashok Keerthi. Como alternativa, Drndić y sus colegas desarrollaron una técnica para hacer muestras llenas de orificios utilizando irradiación de haz de iones enfocados (FIB), que demostraron el año pasado.

En el presente trabajo, los investigadores crearon un sistema para medir el flujo de gas a través de orificios de tamaño atómico y utilizaron sus mediciones de flujo para cuantificar la densidad de los orificios en una muestra. Para ello, montaron sus muestras en chips de silicio y las colocaron entre dos cámaras de vacío: una a presión variable y la otra a alto vacío y conectada a un espectrómetro de masas. Las muestras se sellaron con juntas tóricas, de modo que los agujeros en el WS₂ membrana fueron el único camino de conexión entre las dos cámaras a través del cual las moléculas de gas (helio, en este caso) pueden fluir, explica Boya.

Cerca de los valores predichos por la teoría de Knudsen

Los investigadores encontraron que el WS₂ Las monocapas que contienen poros de tamaño atómico son mecánicamente robustas y el gas helio fluye rápidamente a través de ellas. Los valores de flujo que midieron están dentro de un orden de magnitud de los valores predichos por la teoría de Knudsen y, sorprendentemente, no hay (o solo una mínima) barrera de energía para el flujo a través de los poros.

Flujo sin fricción en canales 2D

“Nuestro trabajo ha permitido un método sólido para confirmar la formación de aperturas atómicas en grandes áreas utilizando flujos de gas”, dice Boya. Este método es, agrega, "un paso esencial para continuar con sus posibles aplicaciones en varios dominios, incluida la separación molecular, la detección y el monitoreo de gases en concentraciones ultrabajas".

Los miembros de los equipos dicen que ahora planean investigar más a fondo la estabilidad de los poros con el tiempo. "También planeamos estudiar la separación de gases a través de estas pequeñas estructuras", dice Drndić. Mundo de la física.

La presente investigación se detalla en Science Advances.

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/gas-flows-follow-conventional-theory-even-at-the-nanoscale/