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3月11日，Nature (《自然》)在線發(fā)表了武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院袁聲軍教授與國內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)關(guān)于石墨烯氣體通透極限的最新研究成果。

論文題為“Limits on gas impermeability of graphene”，袁聲軍和曼切斯特大學(xué)教授、諾獎(jiǎng)得主安德烈·海姆（Prof. Sir Andre Geim）為共同通訊作者。

袁聲軍武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授

袁聲軍，男，1979年4月生，武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。本科畢業(yè)于浙江大學(xué)物理系，博士畢業(yè)于荷蘭格羅寧根大學(xué)，2016年12月到武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院任教。其主要研究領(lǐng)域?yàn)橛?jì)算物理學(xué)、凝聚態(tài)理論和高性能科學(xué)計(jì)算，包括發(fā)展針對(duì)復(fù)雜量子體系的多尺度模擬方法，發(fā)展針對(duì)量子多體問題的計(jì)算方法，低維量子體系的電學(xué)、光學(xué)、輸運(yùn)和等離基元性質(zhì)，通用量子計(jì)算機(jī)模擬，以及強(qiáng)關(guān)聯(lián)自旋系統(tǒng)的弛豫和退相干等。

以單層石墨烯為代表的二維材料，雖然只有一個(gè)原子層的厚度，卻被認(rèn)為不具有氣體和液體透過性。理論計(jì)算表明，無缺陷的單層石墨烯對(duì)氣體分子的透過性具有非常高的能壘，在常規(guī)條件下任何氣體都不能透過。如在室溫下，一個(gè)分子想要透過一張沒有缺陷的石墨烯薄膜，理論計(jì)算表明其花費(fèi)的時(shí)間將比宇宙的歷史還要漫長(zhǎng)。那么，無缺陷的石墨烯對(duì)氣體到底是不是真的不可透過？其極限到底是多少？

安德烈·海姆領(lǐng)銜的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)和袁聲軍的理論團(tuán)隊(duì)合作，通過實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算證實(shí)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(jī)理。研究使用無缺陷單層石墨烯密封的小型單晶容器為實(shí)驗(yàn)裝置，發(fā)現(xiàn)石墨烯對(duì)多數(shù)氣體確實(shí)具有不可透過性，其檢測(cè)精度比之前的實(shí)驗(yàn)提高了8-9個(gè)數(shù)量級(jí)。在這樣超高的檢出條件下可探測(cè)每小時(shí)只有幾個(gè)氦原子的通量。并且對(duì)幾乎所有其他氣體（氖氣，氮?dú)猓鯕?，氬氣，和氙氣），這一行為均表現(xiàn)一致，只有氫氣除外。

理論上氫分子比氦分子大，直接透過將經(jīng)歷更高的勢(shì)壘，但是氫氣卻表現(xiàn)出更加明顯的透過性。對(duì)于這一反常的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，袁聲軍教授團(tuán)隊(duì)通過對(duì)大量不同構(gòu)型的石墨烯結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論計(jì)算，找到了這一異常結(jié)果的主要機(jī)理：一是石墨烯上如波紋狀的自發(fā)起伏具有催化活性，可大大降低氫氣分子裂解吸附的活化能。這種自發(fā)起伏隨著溫度的升高而增大增多，氫分子裂解活化能可最低降至1電子伏以下；二是被吸附的氫原子以較低能量翻轉(zhuǎn)到石墨烯薄膜的另一側(cè)，接近質(zhì)子傳遞所需要的能量。

圖1. 氫氣透過性實(shí)驗(yàn)

圖2. 氫氣透過性計(jì)算

這項(xiàng)研究為二維材料的氣體通透極限提供了重要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論解釋，也為石墨烯的研究指明了新的方向。這樣的基礎(chǔ)研究，往往都將開辟一個(gè)全新的領(lǐng)域。

這項(xiàng)工作的共同作者還包括袁聲軍團(tuán)隊(duì)的博士生熊文奇（武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院）和博士后于進(jìn)（荷蘭奈梅亨大學(xué)）。該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFA0305800）和武漢大學(xué)超級(jí)計(jì)算中心的支持。

袁聲軍教授課題組