A diferencia de las pantallas de las ventanas de una casa, los agujeros a nanoescala en el grafeno llamados "nanoventanas" pueden elegir selectivamente qué tipo de moléculas de aire pueden atravesar.
Científicos de la Universidad Shinshu y la Universidad PSL, Francia, demostraron teóricamente el movimiento concertado del borde de la nanoventana para permitir que las moléculas pasen de manera selectiva, de una manera energéticamente eficiente y rápida. Esto abre nuevas posibilidades para crear una tecnología avanzada de membrana de separación molecular.
El mecanismo de separación mediante nanoventanas es que la vibración atómica del borde de la nanoventana cambia el tamaño efectivo de la nanoventana. Cuando el borde de un lado se desvía y el otro se desvía en la dirección opuesta, el tamaño efectivo de la nanoventana se vuelve mayor que cuandoel borde no se mueve. Este efecto es muy predominante para las moléculas de oxígeno, nitrógeno y argón, induciendo una separación eficiente del oxígeno del aire.
El estudio consideró la separación de los componentes principales del aire: oxígeno, nitrógeno y argón. Tienen altas necesidades industriales; la tecnología innovadora de separación de aire ha sido muy demandada. Los tamaños moleculares de oxígeno, nitrógeno y argón son 0.299, 0.305 y0.363 nanómetros nm. Los investigadores comparan la permeación de estas moléculas en 6 nanoventanas de diferentes tamaños de 0.257 nm, 0.273 nm, 0.297 nm, 0.330 nm, 0.370 nm y 0.378 nm.
Las nanoventanas se prepararon mediante un tratamiento de oxidación. Por lo tanto, sus bordes se pasivan con átomos de hidrógeno y oxígeno, que tienen un papel esencial para la permeación selectiva.
Sorprendentemente, las moléculas penetran a través de las nanoventanas incluso cuando el tamaño de la nanoventana rígida es menor que el tamaño molecular objetivo. Por ejemplo, el O2 penetra más rápido a través de las nanoventanas de 0,29 nm que las de las nanoventanas de 0,33 nm. La diferencia en la velocidad de penetración está asociada con la interacción demolécula con el borde de la nanoventana y el grafeno. El mecanismo se explica utilizando la energía de interacción y el movimiento vibratorio del oxígeno y el hidrógeno en el borde de la nanoventana. En la nanoescala, el campo eléctrico local procedente del borde de la nanoventana que tiene átomos de hidrógeno y oxígeno es lo suficientemente grande como paradeterminar la orientación de las moléculas de oxígeno y nitrógeno, dando una permeación altamente selectiva a través de nanoventanas más pequeñas que las moléculas de oxígeno. Esta selectividad depende sensiblemente de la estructura y propiedad de una molécula de gas y la geometría tamaño y forma y la química del borde de las nanoventanas.
Los movimientos de orientación concertados de los átomos de hidrógeno y oxígeno en el borde de la nanoventana causados por las vibraciones térmicas cambian el tamaño efectivo de la ventana aproximadamente 0.01 nm. La vibración concertada en el borde de la nanoventana puede abrir la nanoventana para moléculas preferibles gas oxígeno en estecaso.
Este estudio evaluó la permeación de gases mezclados para medir selectividades. Las eficiencias de separación excedieron 50 y 1500 para O2 / N2 y O2 / Ar a temperatura ambiente, respectivamente. Las membranas actuales han obtenido selectividades de tasa de permeación 6 para O2 / N2 pero al mismo tiempocarecen de una alta tasa de permeabilidad. Esto muestra una posibilidad prometedora de las nanoventanas dinámicas en el grafeno.
La separación de aire en la industria actual utiliza destilación, que consume una gran cantidad de energía. Los gases utilizados en este estudio se emplean ampliamente en diversas industrias, como la médica, alimentaria, de robos, etc. El desarrollo de grafenos integrados en nanoventanas dinámicas permitirá ahorrar una gran cantidadde energía y proporcionar un proceso más seguro y de alta eficiencia. Este estudio muestra la dirección futura de la separación del aire.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad Shinshu . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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