Publicado en Naturaleza , esta nueva investigación muestra que los canales permiten que el gas pase a través de ellos a velocidades de órdenes de magnitud más rápidas de lo esperado de la teoría. Esto no solo será importante para estudios fundamentales sobre flujos moleculares a nanoescala sino también para aplicaciones como la desalinización y la filtración.
El flujo anormalmente alto reportado se debe a un fenómeno llamado 'dispersión de la superficie especular', que permite que un gas pase a través del canal como si no estuviera allí.
Para comprender este efecto, imagine un espacio estrecho entre dos superficies paralelas. Si las superficies son rugosas, la luz que brilla en el espacio se dispersa al azar. Por lo tanto, se necesitarían miles de millones de rebotes antes de que las partículas de luz fotones emerjan en direcciones aleatorias.
Ahora, si estas superficies son espejos, la luz solo necesitaría unos pocos rebotes antes de que los fotones emerjan del otro lado, como si no hubiera obstrucción alguna. El primer escenario es lo que normalmente sucede en un flujo de moléculas a través detuberías, y esto último es lo que se encontró en este estudio.
El equipo pudo obtener sus resultados al estudiar cómo el gas helio penetra a través de canales en forma de hendidura a escala angstrom con paredes hechas de cristales escindidos de grafito, nitruro de boro hexagonal hBN o sulfuro de molibdeno MoS2. Todos estos materiales puedenexfoliarse hasta un espesor de monocapa y proporcionar superficies atómicamente planas que sean estables a temperatura y presión ambiente.
Estas ranuras a escala angstrom tienen solo un par de átomos de altura y eran imposibles de fabricar hasta hace muy poco.
La Dra. Radha Boya, quien fue uno de los líderes del estudio, dijo: "Nuestros experimentos muestran que la dispersión de helio en la superficie es altamente sensible al paisaje atómico. Por ejemplo, el helio penetra mucho más lentamente a través de canales hechos de MoS2 que a través de esoshecho de los otros dos materiales. Esto se debe a que su rugosidad de la superficie es comparable en altura al tamaño de los átomos de helio que se transportan y su longitud de onda de Broglie ".
El profesor Sir Andre Geim agregó: "Aunque todos los materiales utilizados son atómicamente planos, algunos son más planos que otros. Los átomos de helio son como pequeñas pelotas de ping-pong que rebotan a través de una tubería, y dependiendo de si la superficie de la tubería es irregular o lisa, la pelota sale del otro extremo más lento o más rápido "
El grafeno es el material más plano de los tres. Por otro lado, MoS2 es tan áspero para los átomos de helio que rebotan al azar como pelotas de ping-pong desde la superficie de una tabla de lavar.
La dispersión especular solo puede explicarse teniendo en cuenta los efectos cuánticos, es decir, la naturaleza ondulatoria de las moléculas de gas. Los investigadores probaron esto comparando los flujos de hidrógeno y su deuterio isótopo más pesado.
Observaron que el hidrógeno fluye a través de los canales 2D significativamente más rápido que el deuterio.
El Dr. Ashok Keerthi, el primer autor del artículo, dijo: "Aunque el tamaño de las moléculas de hidrógeno y deuterio es el mismo y también son químicamente exactamente iguales, la longitud de onda de hidrógeno de De Broglie es mayor en comparación con la del deuterio. Y esto es todo lo que se necesita para cambiar la reflexión especular de las paredes del canal "
Se espera que el trabajo tenga implicaciones importantes para la comprensión de los sistemas a nanoescala. Gran parte de la comprensión actual proviene de la teoría clásica newtoniana, pero los experimentos demuestran que, incluso en condiciones ambientales, algunos fenómenos a nanoescala implican intrínsecamente efectos cuánticos y no pueden serexplicado sin tener en cuenta que los átomos también se comportan como ondas.
El equipo de Manchester ahora está buscando investigar la separación selectiva de tamaño de gases usando canales aún más delgados, lo que podría proporcionar usos en tecnologías de separación de gases.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad de Manchester . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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