Des chercheurs du National Graphene Institute de l'Université de Manchester et de l'Université de Pennsylvanie ont identifié des flux de gaz ultra-rapides à travers les plus petits trous dans des membranes minces d'un atome, dans une étude publiée dans Avancées scientifiques .

Les travaux, parallèlement à une autre étude de Penn sur la création de telles membranes nanoporeuses, sont prometteurs pour de nombreux domaines d'application, de la purification de l'eau et du gaz à la surveillance de la qualité de l'air et à la récupération d'énergie.

Au début du 20e siècle, Le célèbre physicien danois Martin Knudsen a formulé des théories pour décrire les flux de gaz. De nouveaux systèmes émergents de pores plus étroits ont remis en cause les descriptions de Knudsen des flux de gaz, mais ils restaient valables et on ne savait pas à quel point d'échelle décroissante ils pouvaient échouer.

L'équipe de Manchester, dirigée par le professeur Radha Boya, en collaboration avec l'équipe de l'Université de Pennsylvanie, dirigé par le professeur Marija Drndic - a montré pour la première fois que la description de Knudsen semble être vraie à la limite atomique ultime.

La science des matériaux bidimensionnels (2D) progresse rapidement et il est désormais courant pour les chercheurs de fabriquer des membranes minces d'un atome. Le groupe du professeur Drndic en Pennsylvanie a développé une méthode pour percer des trous, un atome de large, sur une monocouche de bisulfure de tungstène. Une question importante demeurait, cependant :pour vérifier si les trous à l'échelle atomique étaient traversants et conducteurs, sans réellement les voir manuellement, un par un. Le seul moyen auparavant de confirmer si les trous étaient présents et de la taille prévue, était de les inspecter au microscope électronique à haute résolution.

L'équipe du professeur Boya a développé une technique pour mesurer les flux de gaz à travers des trous atomiques, et à son tour utiliser le flux comme un outil pour quantifier la densité des trous. Elle a dit :« Bien qu'il ne fasse aucun doute que voir c'est croire, la science a été assez limitée en ne pouvant voir que les pores atomiques dans un microscope sophistiqué. Ici, nous avons des appareils à travers lesquels nous pouvons non seulement mesurer les flux de gaz, mais utilisez également les flux comme guide pour estimer le nombre de trous atomiques dans la membrane pour commencer. »

J Thiruraman, le co-premier auteur de l'étude, a déclaré:"Être capable d'atteindre cette échelle atomique expérimentalement, et pour avoir l'imagerie de cette structure avec précision afin que vous puissiez être plus sûr qu'il s'agit d'un pore de cette taille et de cette forme, était un défi."

Le professeur Drndic a ajouté :« Il y a beaucoup de physique entre la recherche de quelque chose dans un laboratoire et la création d'une membrane utilisable. Cela est venu avec l'avancement de la technologie ainsi que notre propre méthodologie, et ce qui est nouveau ici, c'est d'intégrer cela dans un appareil que vous pouvez réellement retirer, transport à travers l'océan si vous le souhaitez [à Manchester], et mesurer."

Dr Ashok Keerthi, un autre auteur principal de l'équipe de Manchester, a déclaré :"L'inspection manuelle de la formation de trous atomiques sur de grandes surfaces sur une membrane est laborieuse et probablement peu pratique. Ici, nous utilisons un principe simple, la quantité de gaz que la membrane laisse passer est une mesure de sa taille."

Les débits de gaz obtenus sont de plusieurs ordres de grandeur plus importants que les débits précédemment observés dans les pores à l'échelle de l'angström dans la littérature. Une corrélation un à un des densités d'ouverture atomique par imagerie par microscopie électronique à transmission (mesurée localement) et à partir des flux de gaz (mesurés à grande échelle) a été combinée par cette étude et publiée par l'équipe. S Dar, un co-auteur de Manchester a ajouté :« Étonnamment, il n'y a pas ou peu de barrière énergétique au flux à travers de si petits trous. »

Le professeur Boya a ajouté :« Nous disposons désormais d'une méthode robuste pour confirmer la formation d'ouvertures atomiques sur de vastes zones à l'aide de flux de gaz, ce qui est une étape essentielle pour poursuivre leurs applications prospectives dans divers domaines dont la séparation moléculaire, détection et surveillance des gaz à des concentrations ultra-faibles."