De nouvelles expériences menées par des chercheurs du National Graphene Institute de l'Université de Manchester ont permis de mieux comprendre le flux de gaz à travers de minuscules, canaux de la taille d'un angström avec des parois atomiquement plates.

Publié dans La nature , cette nouvelle recherche montre que les canaux laissent passer le gaz à des vitesses qui sont des ordres de grandeur plus rapides que prévu en théorie. Ce sera non seulement important pour les études fondamentales sur les flux moléculaires à l'échelle nanométrique, mais aussi pour des applications telles que le dessalement et la filtration.

Le débit anormalement élevé signalé est dû à un phénomène appelé « diffusion spéculaire à la surface », qui permet à un gaz de passer à travers le canal comme s'il n'y était pas du tout.

Pour comprendre cet effet, imaginez un écart étroit entre deux surfaces parallèles. Si les surfaces sont rugueuses, la lumière qui brillait dans l'espace est dispersée au hasard. Il faudrait donc des millions de rebonds avant que les particules lumineuses (photons) n'émergent dans des directions aléatoires.

Maintenant, si ces surfaces sont des miroirs, la lumière n'aurait besoin que de quelques rebonds avant que les photons n'émergent de l'autre côté, comme s'il n'y avait aucune obstruction. Le premier scénario est ce qui se passe normalement dans un flux de molécules à travers des tuyaux, et c'est ce dernier qui a été trouvé dans cette étude.

L'équipe a pu obtenir ses résultats en étudiant comment l'hélium gazeux pénètre à travers des canaux en forme de fente à l'échelle de l'angström avec des parois constituées de cristaux de graphite clivés, nitrure de bore hexagonal (hBN) ou sulfure de molybdène (MoS 2 ). Ces matériaux peuvent tous être exfoliés jusqu'à une épaisseur monocouche et fournissent des surfaces atomiquement plates qui sont stables à température et pression ambiantes.

De telles fentes à l'échelle de l'angström ne mesurent que quelques atomes de hauteur et étaient impossibles à fabriquer jusqu'à très récemment.

Dr Radha Boya, qui était l'un des chefs de file de l'étude a déclaré :"Nos expériences montrent que la diffusion de surface de l'hélium est très sensible au paysage atomique. Par exemple, l'hélium pénètre beaucoup plus lentement à travers des canaux fabriqués à partir de MoS 2 que par ceux fabriqués à partir des deux autres matériaux. En effet, sa rugosité de surface est comparable en hauteur à la taille des atomes d'hélium transportés et à leur longueur d'onde (de Broglie).

Le professeur Sir Andre Geim a ajouté :« Bien que tous les matériaux utilisés soient atomiquement plats, certains sont plus plats que d'autres. Les atomes d'hélium sont alors comme de minuscules balles de ping-pong rebondissant dans un tuyau, et selon que la surface du tuyau est bosselée ou lisse, la balle sort de l'autre extrémité plus lentement ou plus vite."

Le graphène est le matériau le plus plat des trois. MoS 2 d'autre part, il est si rugueux pour les atomes d'hélium qu'ils rebondissent au hasard comme des balles de ping-pong sur une surface de planche à laver.

La diffusion spéculaire ne peut s'expliquer qu'en prenant en compte les effets quantiques, c'est-à-dire la nature ondulatoire des molécules de gaz. Les chercheurs l'ont prouvé en comparant les flux gazeux d'hydrogène et de son isotope plus lourd, le deutérium.

Ils ont observé que l'hydrogène s'écoule à travers les canaux 2-D beaucoup plus rapidement que le deutérium.

Dr Ashok Keerthi, le premier auteur de l'article a déclaré:"Bien que la taille des molécules d'hydrogène et de deutérium soit la même et qu'elles soient chimiquement exactement les mêmes, trop, la longueur d'onde de de Broglie de l'hydrogène est plus grande que celle du deutérium. Et c'est tout ce qui est nécessaire pour changer la réflexion spéculaire sur les parois du canal."

Le travail devrait avoir des implications majeures pour la compréhension des systèmes à l'échelle nanométrique. Une grande partie de la compréhension actuelle vient de la théorie newtonienne classique, mais les expériences prouvent que, même dans des conditions ambiantes, certains phénomènes nanométriques impliquent intrinsèquement des effets quantiques et ne peuvent être expliqués sans tenir compte du fait que les atomes se comportent également comme des ondes.

L'équipe de Manchester cherche maintenant à étudier la séparation sélective de la taille des gaz en utilisant des canaux encore plus minces, qui pourraient fournir des utilisations dans les technologies de séparation des gaz.