第一作者：P. Z. Sun
通訊作者：S. J.Yuan, A. K. Geim
通訊單位：曼徹斯特大學
研究亮點：
1. 實驗拓展了無缺陷石墨烯對氣體不可透過性的極限。
2. 揭示了氫氣在石墨烯中的異常透過性機理。
古人云，千里馬常有，而伯樂不常有。正所謂天生我材必有用，你不會用，并不代表它沒有用。
石墨烯以諾獎之尊，近來備受毀譽，摻鳥屎者有之，拿國際大獎者亦有之，可謂四面楚歌，壓力甚大。無論如何，各位還是要堅守本心。一方面，要多做踏實的研究，不要把好材料做爛了。另一方面，也不要聽了好事者所言，半途而廢，自我懷疑。
今天，石墨烯之父，英國曼徹斯特大學諾獎得主A. K. Geim團隊在Nature發文，在石墨烯基礎研究領域再次獲得新突破。下面做簡要介紹，希望對相關領域研究人員有所啟發。
以單層石墨烯為代表的無缺陷二維材料，雖然只有一個原子層的厚度，卻被認為不具有氣體和液體透過性。
從理論上而言：
DFT計算表明，單層石墨烯對原子和分子的透過性具有非常高的能壘，至少幾個電子伏。因此，在常規條件下任何氣體都不能透過無缺陷的單層石墨烯。在室溫下，一個原子想要透過一張沒有缺陷的膜，其花費的時間將比宇宙的歷史還要漫長。
從實驗上而言：
以機械剝離的石墨烯為例，在氧化硅晶圓上刻蝕的微米級孔，并用石墨烯密封，以研究氣體的透過性。結果表明，沒有發現任何氣體透過的現象，檢測靈敏度達到105-106個原子/秒
那么，石墨烯度氣體到底是不是真的不可透過？其極限到底是多少？機理如何？
有鑒于此，有石墨烯之父美譽的英國曼徹斯特大學諾獎得主A. K. Geim團隊進一步通過實驗證實了無缺陷石墨烯的不可透過性，拓展了不可透過性的極限，并揭示了氫氣在石墨烯中的異常透過性機理。
圖1. 不可透過性實驗裝置
研究人員使用無缺陷的單層石墨烯密封的小型單晶容器為實驗裝置，研究表明，無缺陷的石墨烯對氣體確實具有不可透過性，其檢測精度比之前的實驗提高了8-9個數量級。
研究指出，雖然沒有直接的證據，但是作者能夠判別，在這樣超高的檢出限條件下，每小時只有幾個氦原子能夠透過。對幾乎所有其他氣體（氖氣，氮氣，氧氣，氬氣，和氙氣），這一行為均表現一致，只有氫氣除外。
即使氫分子比氦大，應該經歷更高的能壘，但是氫卻表現出更加明顯的透過性。這一異常結果主要歸以為以下機理：1）氫氣分子具有催化活性的石墨烯波紋處發生解離；2）被吸附的氫原子以較低活化能翻轉到石墨烯片的另一側。研究指出，這一活化能大概1.0 eV左右，接近質子傳遞所需要的能量。
圖2. 氫氣透過性實驗
總之，這項研究從基礎的角度出發，為二維材料的不可透過性提供了重要思考，也為石墨烯的研究指明了新的方向。
另外，這項研究也為我們的基礎研究做出了新的范例。真正的純基礎研究，應該更多專注于基本的性質，而不應過多渲染那些可能的應用前景，除非你真的能做到了。這樣的基礎研究，往往都將開辟一個全新的領域。
參考文獻：
P. Z. Sun et al. Limitson gas impermeability of graphene. Nature 2020.
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2070-x
