Сотрудники Колорадского университета в Боулдере (США) представили первые экспериментальные доказательства того, что моноатомные графеновые мембраны, содержащие поры шириной в несколько ангстрем, могут быть использованы для эффективного разделения газовых смесей.

Мембраны, используемые в качестве селективных барьеров, играют важнейшую роль в самом широком спектре процессов, начиная с обеспечения жизнедеятельности клеток и заканчивая промышленной очисткой химических веществ и газов.

Идеальная мембрана должна быть тонкой, чтобы достигалась максимально возможная скорость потока, механически прочной и иметь поры строго определённого размера, без чего немыслима высокая селективность разделения.

Графен — прекрасная отправная точка для разработки мембран, способных разделять газовые смеси на основе размеров составляющих их молекул. Он имеет минимально возможную толщину — всего один атом; это самый прочный из известных материалов; он относительно химически инертен и непроницаем для любых газов (хотя по поводу водорода есть некоторые сомнения, но это единственное возможное исключение).

Рис. 1. Небольшая пора в листе графена, которая селективно пропускает молекулы диоксида углерода, останавливая азот (иллюстрация Zhangmin Huang / University of Colorado).

И лишь одного не хватает графену, чтобы стать мембраной, — пор, способных пропускать газовые молекулы на основании их размера.

В рассматриваемой работе удалось показать, что окислительное травление, активируемое УФ-светом, может с успехом использоваться для создания пор подходящего размера. В качестве демонстрации работоспособности таких мембран учёные провели серию экспериментов по разделению газовых смесей, состоящих из таких газов, как водород, диоксид углерода, аргон, азот, метан и гексафторид серы, размеры молекул которых находятся в диапазоне от 0,29 до 0,49 нм.

Исследователи также указывают на проблемы, которые необходимо решить, чтобы графеновые мембраны перешли в разряд коммерчески доступных.

Так, до сих пор не существует метода получения больших по площади листов графена, которые могли бы удовлетворить промышленное производство.

Кроме того, эксперименты по созданию ангстремных пор, проводившиеся в Колорадском университете, не дают полного представления о масштабируемости метода.

Отчёт об исследовании представлен в журнале Nature Nanotechnology.