石墨烯對(duì)質(zhì)子“網(wǎng)開(kāi)一面”原因揭示

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科技日?qǐng)?bào)記者?張佳欣

根據(jù)23日《自然》雜志報(bào)道，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)和華威大學(xué)的研究人員解開(kāi)了一個(gè)長(zhǎng)期存在的謎題：為什么質(zhì)子對(duì)石墨烯的滲透性比理論上預(yù)期的要高得多。

圖為石墨烯結(jié)構(gòu)。圖片來(lái)源：英國(guó)曼徹斯特大學(xué)

10年前，科學(xué)家證明，此前被認(rèn)為“密不可透”的石墨烯材料可被質(zhì)子（氫原子核）穿過(guò)。這一出人意料的結(jié)果引發(fā)了一場(chǎng)爭(zhēng)論，因?yàn)槔碚擃A(yù)測(cè)，質(zhì)子需要數(shù)十億年的時(shí)間才能滲透到石墨烯的密集晶體結(jié)構(gòu)中。于是，科學(xué)家提出假設(shè)，即質(zhì)子不是通過(guò)晶格本身滲透，而是通過(guò)其結(jié)構(gòu)中的孔滲透的。

新研究得出了質(zhì)子滲透石墨烯的超高空間分辨率測(cè)量結(jié)果，并證明了完美的石墨烯晶體對(duì)質(zhì)子具有滲透性。出乎意料的是，質(zhì)子在晶體的納米級(jí)皺紋和漣漪周?chē)臐B透顯著加速。

團(tuán)隊(duì)使用了掃描電化學(xué)細(xì)胞顯微鏡技術(shù)來(lái)測(cè)量從納米級(jí)區(qū)域收集的微小質(zhì)子電流，從而可視化穿過(guò)石墨烯薄膜的質(zhì)子電流的空間分布。如果像一些科學(xué)家推測(cè)的那樣，質(zhì)子通過(guò)孔傳輸，電流將集中在幾個(gè)單獨(dú)的地方。但他們沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這種跡象，排除了石墨烯膜上孔的存在。

研究人員驚訝地發(fā)現(xiàn)，石墨烯晶體中完全沒(méi)有缺陷。其結(jié)果提供了微觀證據(jù)，證明石墨烯的晶格結(jié)構(gòu)本身就對(duì)質(zhì)子具有滲透性。而且，質(zhì)子流在晶體中納米級(jí)的皺紋周?chē)铀佟Ｖ詴?huì)出現(xiàn)這種情況，是因?yàn)轳薨櫽行У乩炝耸┚Ц瘢瑥亩鵀橘|(zhì)子穿透原始晶格提供了更大的空間。這一觀察結(jié)果也使實(shí)驗(yàn)和理論相一致。

這一發(fā)現(xiàn)有可能加速氫經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。目前用于生成和利用氫氣的昂貴催化劑和膜，有時(shí)會(huì)有明顯的碳足跡。未來(lái)，它們可被更可持續(xù)的2D晶體取代，從而減少碳排放，并通過(guò)產(chǎn)生“綠色氫氣”為凈零排放作出貢獻(xiàn)。

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