கிராஃபீனில் உள்ள அணு துளைகள் மூலம் வாயுக்களை துல்லியமாக வடித்தல் சாத்தியமா?

அணு மெல்லிய சவ்வுகளில் அணு அளவிலான துளைகளை உருவாக்குவதன் மூலம், காற்றில் இருந்து கார்பன் டை ஆக்சைடை பிரித்தெடுப்பது உட்பட, துல்லியமான மற்றும் திறமையான வாயு பிரிப்பிற்கான மூலக்கூறு சல்லடைகளை உருவாக்க முடியும் என்று மான்செஸ்டர் பல்கலைக்கழக ஆராய்ச்சியாளர்கள் கண்டறிந்துள்ளனர்.

ஒரு மென்படலத்தில் உள்ள நுண்துளை அளவு அணுக்கள் மற்றும் மூலக்கூறுகளின் அளவோடு ஒப்பிடக்கூடியதாக இருந்தால், அவை சவ்வு வழியாகச் செல்லலாம் அல்லது நிராகரிக்கப்படலாம். அவற்றின் மூலக்கூறு விட்டம் படி வாயுக்களை பிரிக்க அனுமதிக்கிறது. தொழில்துறை வாயு பிரிப்பு தொழில்நுட்பங்கள் இந்த கொள்கையை பரவலாகப் பயன்படுத்துகின்றன, பெரும்பாலும் வெவ்வேறு அளவிலான நுண்துளை கொண்ட பாலிமர் சவ்வுகளை நம்பியுள்ளன. பிரித்தலின் துல்லியத்திற்கும் அதன் செயல்திறனுக்கும் இடையே எப்போதும் ஒரு பரிமாற்றம் உள்ளது. நீங்கள் நுண்துளை அளவுகளை சரிசெய்தால், குறைந்த வாயு ஓட்டம் போன்ற சல்லடைகள் அனுமதிக்கின்றன.

கிராஃபீனின் தடிமன் போன்ற இரு பரிமாண சவ்வுகளைப் பயன்படுத்தி, தற்போது அடையக்கூடியதை விட மிகச் சிறந்த வர்த்தகத்தை ஒருவர் அடைய முடியும் என்று நீண்ட காலமாக ஊகிக்கப்படுகிறது. ஏனெனில், வழக்கமான சவ்வுகளைப் போலல்லாமல், அணுக்களவு மெல்லியவை அதே தேர்ந்தெடுப்புத்தன்மைக்கு எளிதான வாயு ஓட்டத்தை அனுமதிக்க வேண்டும்.

இப்போது மான்செஸ்டர் பல்கலைக்கழகத்தில் பேராசிரியர் சர் ஆண்ட்ரே கெய்ம் தலைமையிலான ஆய்வுக் குழு, பெல்ஜியம் மற்றும் சீனாவின் விஞ்ஞானிகளுடன் இணைந்து, இடைநிறுத்தப்பட்ட கிராஃபீனில் தனிப்பட்ட அணு அளவிலான துளைகளை மோதுவதற்கு குறைந்த ஆற்றல் கொண்ட எலக்ட்ரான்களைப் பயன்படுத்தியது. ஹீலியம் மற்றும் ஹைட்ரஜன் போன்ற மிகச்சிறிய அணுக்களை விடவும் சிறியதாக இரண்டு ஆங்ஸ்ட்ரோம்கள் வரையிலான அளவுகளில் துளைகள் வந்தன.

டிசம்பரின் நேச்சர் கம்யூனிகேஷன்ஸ் இதழில், நைட்ரஜன், மீத்தேன் அல்லது செனானைப் பொறுத்தமட்டில் ஹீலியம் அல்லது ஹைட்ரஜன் போன்ற வாயுக்களுக்கு நடைமுறையில் சரியான தேர்வை (99.9% விட சிறந்தது) அடைந்ததாக ஆராய்ச்சியாளர்கள் தெரிவிக்கின்றனர். மேலும், காற்று மூலக்கூறுகள் (ஆக்ஸிஜன் மற்றும் நைட்ரஜன்) கார்பன் டை ஆக்சைடுடன் ஒப்பிடும்போது துளைகள் வழியாக எளிதில் கடந்து செல்கின்றன. இது >95% கைப்பற்றப்படுகிறது.

விஞ்ஞானிகள் இரு பரிமாண சவ்வுகளை நடைமுறைப்படுத்த, உள்ளார்ந்த துளைகளுடன், அதாவது, படிக அணிக்கோவைக்குள்ளேயே உள்ள துளைகளைக் கொண்ட அணு மெல்லிய பொருட்களைக் கண்டுபிடிப்பது அவசியம் என்று சுட்டிக்காட்டுகின்றனர்.

“வாயுக்களுக்கான துல்லியமான சல்லடைகள் நிச்சயமாக சாத்தியமாகும், உண்மையில், அவை மணல் மற்றும் சிறுமணிப் பொருட்களை சல்லடை செய்வதற்குப் பயன்படுத்தப்படுபவையுடன் வேறுபட்டவை அல்ல. இருப்பினும், இந்த தொழில்நுட்பத்தை தொழில்துறை ரீதியாக பொருத்தமானதாக மாற்ற, அடர்த்தியான இடைவெளி கொண்ட துளைகள் கொண்ட சவ்வுகள் தேவை, தனிப்பட்ட துளைகள் அல்ல. எங்கள் ஆய்வு முதன்முறையாக கருத்தை நிரூபிக்கிறது. அப்போதுதான் தொழில்துறை எரிவாயு பிரிப்புக்கு தேவையான அதிக ஓட்டங்களை அடைய முடியும்,” என்கிறார் ஆய்வறிக்கையின் முதன்மை ஆசிரியரான டாக்டர் பெங்ஜான் சன்.

எதிர்கால எரிவாயு பிரிப்பு தொழில்நுட்பங்களுக்கு மிகவும் நம்பிக்கைக்குரியவற்றைக் கண்டறிய பெரிய உள்ளார்ந்த துளைகளைக் கொண்ட இரு பரிமாண பொருட்களைத் தேட ஆராய்ச்சி குழு இப்போது திட்டமிட்டுள்ளது. எடுத்துக்காட்டாக, பல்வேறு கிராஃபைன்கள் உள்ளன. அவை கார்பனின் அணு மெல்லிய அலோட்ரோப்கள் ஆனால் இன்னும் அளவில் உற்பத்தி செய்யப்படவில்லை. இவை கிராஃபீன் போல தோற்றமளிக்கின்றன, ஆனால் பெரிய கார்பன் வளையங்களைக் கொண்டுள்ளன. மான்செஸ்டர் ஆராய்ச்சியாளர்களால் உருவாக்கப்பட்ட மற்றும் ஆய்வு செய்யப்பட்ட தனிப்பட்ட குறைபாடுகளைப் போன்றது. சரியான அளவு கிராஃபைன்களை வாயு பிரிப்பிற்கு மிகவும் பொருத்தமானதாக மாற்றலாம்.

References:

• Villalobos, L. F., Van Goethem, C., Hsu, K. J., Li, S., Moradi, M., Zhao, K., & Agrawal, K. V. (2021). Bottom-up synthesis of graphene films hosting atom-thick molecular-sieving apertures. Proceedings of the National Academy of Sciences, 118(37).
• Yuan, Z., He, G., Faucher, S., Kuehne, M., Li, S. X., Blankschtein, D., & Strano, M. S. (2021). Direct Chemical Vapor Deposition Synthesis of Porous Single‐Layer Graphene Membranes with High Gas Permeances and Selectivities. Advanced Materials, 2104308.
• Hassani, N., Rashidi, R., Milošević, M. V., & Neek-Amal, M. (2021). Evaluating gas permeance through graphene nanopores and porous 2D-membranes: A generalized approach. Carbon Trends, 5, 100086.
• Lee, W. C., Bondaz, L., Huang, S., He, G., Dakhchoune, M., & Agrawal, K. V. (2021). Centimeter-scale gas-sieving nanoporous single-layer graphene membrane. Journal of Membrane Science, 618, 118745.