두 개의 나노 규모 주름을 통한 양성자 수송

Nature 620권, 782~786페이지(2023)이 기사 인용

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측정항목 세부정보

결함이 없는 그래핀은 주변 조건에서 모든 원자1,2,3,4,5 및 이온6,7에 불투과성입니다. 마이크로미터 크기의 막을 통해 시간당 몇 원자의 가스 흐름을 분석할 수 있는 실험에서는 단결정 그래핀이 가장 작은 원자인 헬륨을 완전히 통과하지 못하는 것으로 나타났습니다2,5. 이러한 막은 가장 작은 이온인 리튬6,7을 포함한 모든 이온에 대해 불투과성인 것으로 나타났습니다. 대조적으로, 그래핀은 수소 원자의 핵인 양성자에 대한 투과성이 높은 것으로 보고되었습니다8,9. 그러나 예기치 않게 높은 양성자 투과도 뒤에 있는 메커니즘이나 그래핀 결정 격자에 결함이 필요한지 여부에 대해서는 합의가 이루어지지 않았습니다. 여기에서는 고해상도 주사 전기화학 전지 현미경을 사용하여 기계적으로 박리된 그래핀과 육각형 질화붕소의 단층을 통한 양성자 투과가 구조적 결함에 기인할 수는 없지만 2차원 막의 나노규모 비평탄성이 양성자 수송을 크게 촉진한다는 것을 보여줍니다. 전기화학 세포 현미경을 주사하여 시각화한 양성자 전류의 공간적 분포는 나노 규모의 주름 및 변형이 축적되는 기타 특징과 밀접한 상관관계가 있는 현저한 불균일성을 나타냅니다. 우리의 결과는 대부분 평면으로 간주되고 모델링된 2차원 결정을 통해 양성자 수송을 가능하게 하는 중요한 매개변수로서 나노 규모의 형태를 강조하고 변형률과 곡률이 2차원 물질의 양성자 투과성을 제어하기 위한 추가 자유도로 사용될 수 있음을 나타냅니다.

2차원(2D) 결정을 통한 양성자 수송 측정은 이러한 결정이 그래핀 및 육방정계 질화붕소(hBN)에 대해 각각 약 0.8eV 및 약 0.3eV의 들어오는 양성자에 대한 에너지 장벽을 형성한다는 것을 보여주었습니다8. 수소의 더 무거운 동위원소 중수소에 대한 추가 실험에서는 들어오는 양성자의 초기 에너지가 열 여기(약 25meV)에 의해 주어지는 것이 아니라 양성자 전도성 매질에서 산소 원자에 결합된 양성자의 영점 진동으로 인해 약 0.2eV라는 것이 밝혀졌습니다9 . 이 보정은 결정에 의해 제기된 총 에너지 장벽 E를 그래핀과 hBN에 대해 각각 약 1.0eV와 약 0.5eV로 높입니다. 이러한 통찰력에도 불구하고 2D 결정을 통한 양성자 투과 메커니즘은 여전히 논란의 여지가 있습니다. 밀도 범함수 이론 계산의 일반적인 합의는 에너지 장벽이 눈에 띄게 커야 한다는 것입니다. 연구(예: 참고 문헌 10,11,13,14,18)에서는 다소 넓은 범위의 E가 산출되었지만 항상 실험적으로 발견된 약 1eV의 값을 초과했습니다. 값의 확산은 프로세스가 격자 완화 시간보다 느린지, 양자가 기계적으로 양자를 터널링하는지 또는 양성자가 전송 전에 탄소 격자를 국지적으로 수소화하는지(따라서 국지적으로 팽창하는지)와 같은 모델에서 만들어진 다양한 가정에서 발생합니다. 19. 이러한 불확실성은 문헌에서 널리 추측되는 대안적인 설명, 즉 양성자 투과가 결정 격자의 구조적 결함을 통해 발생한다는 동기를 부여했습니다. 이 가설은 성장 및 전달 중에 나타나는 입자 경계, 핀홀 및 기타 결함이 있는 화학 기상 증착(CVD)에 의해 성장된 그래핀을 사용한 실험을 기반으로 합니다. CVD 그래핀을 사용한 실험에서는 일반적으로 매우 높은 양성자 투과율이 보고되고 때로는 다른 이온에 대한 그래핀의 불투과성이 손실되기도 합니다16. 그러나 원자 규모의 결함을 유일한 양성자 전도성 부위로 가정하는 설명은 기계적으로 박리된 그래핀에는 적용할 수 없습니다. 실제로, 투과 및 터널링 전자 현미경은 그러한 결정의 상대적으로 넓은 영역에 대한 스캔에 대한 빈자리 또는 기타 원자 규모 결함을 관찰하지 못했습니다. 더욱 결정적으로, 마이크로미터 크기의 멤브레인 내에서 가스가 투과할 수 있는 단일 옹스트롬 규모의 결함을 쉽게 감지할 수 있는 가스 투과 실험에서는 박리된 그래핀 및 hBN 단층6에서 아무것도 감지하지 못했습니다. 결함이 없는 2D 결정을 통한 양성자 수송을 이해하고 기존 논란을 해결하려면 추가 실험적 증거가 필요합니다.

3 orders of magnitude higher (Extended Data Fig. 2)./p>

200 pA, which is an unmistakable indicator that the meniscus has fully wetted the sample (Extended Data Fig. 3b,d and Extended Data Fig. 3e,g for graphene and hBN, respectively). The d.c. current then drops to a steady state (step iv) during which the meniscus stabilizes. After the pre-programmed measurement period (500 ms of meniscus contact), the tip is retracted (step v (meniscus stretch) and step vi (meniscus detached)), with Idc first sharply increasing and then returning to the initial value. These steps were clearly visible throughout scanning of entire samples./p>