『石墨烯 分离膜』在石墨烯中使用纳米孔来分离空气

日本信州大学和法国巴黎文理学院的科学家们在石墨烯里也发现了一种“窗户”。这种窗户被称为“纳米窗”，是由独特的石墨烯纳米孔结构构成，通过“开关”孔两侧的原子，我们可以选择性地控制让某类空气分子通过。

信州大学和巴黎文理学院的科学家们先是通过理论证明了这种纳米窗结构分离空气的可行性。纳米窗能够进行分离的原因是，孔两侧的原子振动能有效地改变纳米窗的尺寸。当孔两侧的原子分别向两个相反方向移动时候，纳米窗呈现出“开”的状态，尺寸将变得比不移动时大。相应的，当孔两侧的原子分别向相同的方向移动时候，纳米窗呈现出“闭”的状态，尺寸将变得比不移动时小。

通过这种方式，他们发现能调控孔两侧原子的运动模式使特定尺寸的原子或分子通过，这为创建先进的分子分离膜技术带来了新的可能性。并且相对于传统的蒸馏技术，它更高效节能。

这是一个纳米窗开闭功能组合模型，可以通过调控开闭状态使O2通过

空气的主要成分为氮气、氧气和氩气，它们的分子大小分别为0.299、0.305和0.363纳米。它们在工业中有很高的需求量，但目前的方法还止步在传统的蒸馏上，所以新的空气分离技术一直备受期待。

因此科学家们开始从理论走向实践，他们将纳米窗氧化处理，使它们的边缘被氢和氧原子钝化，这对选择性渗透过程非常重要。之后通过调控纳米窗的分子运动，让纳米窗呈现出6种不同尺寸，再分别通空气观察透过情况。

结果令人惊讶，即使纳米窗的孔隙尺寸小于目标分子（氧气）尺寸，目标分子也可通过孔隙。后来在解释过程中，他们发现这种差异是纳米孔两侧原子和石墨烯之间结合作用导致的。

他们用氧和氢在纳米窗两侧边缘处的振动情况和相互作用能来解释这个机制。在纳米尺度下，纳米窗边缘的氢氧原子间局部电场足够大，大到可以确定氧和氮分子的取向，从而使氧分子很轻易地通过间隙小于其直径的纳米窗。

这种氢氧原子间的作用也使它对气体的选择性很高，气体是否能通过受气体分子的结构性质、几何形状以及边缘化学性质的影响。

由热振动引起的纳米窗边缘的氢氧原子的一致取向运动可使窗口的有效尺寸变化约0.01纳米，这种协同振动可以使纳米窗打开以通过优选分子。