不可渗透的无缺陷的石墨烯材料，为二维材料的不可渗透性提供参考

2020年3月11日，武汉大学物理科学与技术学院袁声军及英国曼彻斯特曼彻斯特大学物理与天文学系A. K. Geim共同通讯在Nature 在线发表题为“Limits on gas impermeability of graphene”的研究论文，该研究使用用石墨烯紧密密封的小型单晶容器，显示出无缺陷的石墨烯是不可渗透的，其精度比以前的实验高八到九个数量级。该研究能够辨别（但没有观察到）每小时只有几个氦原子的渗出，并且此检出限对所有测试的其他气体（氖气，氮气，氧气，氩气，氪气和氙气）均有效，氢气除外。该研究工作为二维材料的不可渗透性提供了重要参考，并且从基本的角度及其潜在应用意义很重要。

从理论上讲，单层石墨烯对原子和分子的渗透构成了非常高的能垒。密度泛函理论（DFT）的计算表明，能垒E至少为几个电子伏，这在环境条件下阻止任何气体渗透。确实，可以估算出在室温下，找到一个足以穿透任何现实尺寸的无缺陷膜的原子，所花费的时间将比宇宙的寿命长。使用在氧化硅晶圆上蚀刻的微米级孔实现了最高的灵敏度，这些孔用石墨烯密封。

在这些测量中，加压气体（例如，氦气）可能会沿着SiO2层渗透并逐渐填充微容器，从而形成所谓的纳米气球。使用原子力显微镜（AFM）监测了它们在空气中的连续放气，结果表明，泄漏仅在SiO2表面发生，在几分钟之内发生，而与用于密封的石墨烯层数无关。这些研究得出的结论是，石墨烯膜不能渗透所有气体。通过在石墨烯纳米气球中产生单个原子级缺陷，这进一步得到了证实，这导致了它们相对快速的放气/充气，并证实了该方法异常高的灵敏度。

无缺陷的石墨烯对氦气的不渗透性

在该研究中，使用用石墨烯紧密密封的小型单晶容器，显示出无缺陷的石墨烯是不可渗透的，其精度比以前的实验高八到九个数量级。该研究能够辨别（但没有观察到）每小时只有几个氦原子的渗出，并且此检出限对所有测试的其他气体（氖气，氮气，氧气，氩气，氪气和氙气）均有效，氢气除外。

氢显示出明显的渗透性，即使其分子比氦大，并且应该经历更高的能垒。令人费解的观察结果归因于一个两阶段过程，该过程涉及分子氢在催化活性石墨烯波纹处解离，然后被吸附的原子以约1.0电子伏特的较低活化能翻转到石墨烯片的另一侧，该值接近以前报道的质子运输。该研究工作为二维材料的不可渗透性提供了重要参考，并且从基本的角度及其潜在应用意义很重要。

室温下，氢气可渗透无缺陷的石墨烯

总而言之，无缺陷的石墨烯在室温下完全不渗透所有原子和分子种类，但是氢的渗透不可忽略。如有必要，可以使用双层石墨烯或其他2D材料（例如单层MoS2）来阻止氢气的渗透。

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