De nouvelles recherches menées par des scientifiques de l'Université de technologie de Delft et de l'Université de Duisburg-Essen utilisent le mouvement du graphène atomiquement mince pour identifier les gaz rares. Ces gaz sont chimiquement passifs et ne réagissent pas avec d'autres matériaux, ce qui rend leur détection difficile. Les résultats sont rapportés dans le journal Communication Nature .

Le graphène est un matériau finalement mince constitué d'une seule couche d'atomes de carbone. Son épaisseur atomique en fait un matériau filtrant parfait pour les gaz et les liquides :le graphène en lui-même n'est pas perméable, mais de petites perforations le rendent très perméable. De plus, le matériau est parmi les plus résistants connus et résiste à des contraintes élevées. Ensemble, ces deux caractéristiques constituent la base parfaite pour de nouveaux types de capteurs de gaz.

Nano ballons

Les scientifiques utilisent des ballons microscopiques en graphène bicouche (d'une épaisseur de 0,7 nm), avec de très petites perforations de nanopores jusqu'à 25 nm de diamètre, pour détecter les gaz. Ils utilisent un laser pour chauffer le gaz à l'intérieur du ballon et le faire se dilater. Le gaz sous pression s'échappe alors par la perforation. " Imaginez un ballon qui se dégonfle lorsque vous laissez l'air s'échapper, " déclare Irek Rosłoń, chercheur à la TU Delft, "Nous mesurons le temps qu'il faut au ballon pour se dégonfler. A si petite échelle, cela se produit très rapidement - en environ 1/100 000e de seconde - et, fait intéressant, la durée dépend fortement du type de gaz et de la taille des pores. Par exemple l'hélium, un gaz léger à haute vitesse moléculaire, s'échappe cinq fois plus vite que le krypton, un gaz lourd et se déplaçant lentement." La méthode permet de distinguer les gaz en fonction de leur masse et de leur vitesse moléculaire, qui nécessite normalement de gros spectromètres de masse.

Pompage de gaz

Les ballons de graphène sont entraînés en continu par une force optothermique à hautes fréquences de 100 kHz, provoquant le pompage très rapide du gaz à travers les nanopores. La perméation du gaz peut être étudiée en observant le mouvement mécanique du graphène. Aux basses fréquences de pompage, le gaz a beaucoup de temps pour s'échapper et n'affecte pas de manière significative le mouvement du graphène. Cependant, la membrane subit une grande traînée à des fréquences de pompage accrues, en particulier lorsque la période de pompage correspond au temps typique de sortie du gaz du ballon. "En mesurant à différentes fréquences, nous pouvons trouver ce pic dans la traînée. La fréquence à laquelle un pic est observé correspond à la vitesse de perméation du gaz."

Les chercheurs ont étendu cette idée pour étudier le flux de gaz à travers des nano-canaux. La connexion du ballon à un long canal rend l'échappement du gaz beaucoup plus difficile. L'augmentation du temps de dégonflage donne un aperçu expérimental de la mécanique de l'écoulement du gaz dans les nano-canaux. Tout à fait, ce travail montre comment les propriétés extraordinaires du graphène peuvent être utilisées pour étudier la dynamique des gaz à l'échelle nanométrique, ainsi que pour concevoir de nouveaux types de capteurs et de dispositifs. À l'avenir, cela peut permettre aux petits, des capteurs peu coûteux et polyvalents pour déterminer la composition de mélanges gazeux dans des applications industrielles ou pour la surveillance de la qualité de l'air.