Havanın Moleküllerini Ayırmak için Yeni Mekanizmalar Keşfedildi
Fotoğraf: Küçük bir nanopecerede işlevsel grup titreşim mekanizması, O2 geçirgenliğine izin vermek için açık veya kapalı bir durumda olabilir.
Grafenin içinde bulunan nano ölçekli boşluklar (“nanopencere” olarak adlandırılır), hangi hava moleküllerinin bu boşlukların içinden geçebileceğini seçebilir.
Shinshu Üniversitesi ve Fransa’daki PSL Üniversitesi’nden bilim insanları nanopencere kasnağın, hava molekülerlerin hızlı ve enerji tasarrufu yapacak bir şekilde seçici olarak geçmesine izin veren hareket sergilediğini teorik olarak kanıtladı. Bu durum, gelişmiş bir moleküler ayırma membranı teknolojisi yaratmak için yeni olanaklar getirmektedir.
Nanopencere kasnağın atomik titreşimi, etkili nanopencere boyutunu değiştirir. Kasnağın bir tarafı bir yöne sapıp, diğer tarafı da tersi yöne saptığında; etkili nanopencere boyutu kasnağın hareket etmediği durumdan daha büyük olur. Bu etki, oksijen, azot ve argon molekülleri için oldukça baskındır. Bu nedenle oksijenin havadan verimli bir şekilde ayrılmasını sağlar.
Bu çalışma, havanın ana bileşenlerinin ayrılması için düşünüldü: oksijen, azot ve argon. Oksijen, azot ve argonun moleküler boyutları 0.299, 0.305 ve 0.363 nanometre (nm) ‘dir. Araştırmacılar bu moleküllerin altı farklı büyüklükteki nanopencereler (0.257 nm, 0.273 nm, 0.297 nm, 0.330 nm, 0.370 nm ve 0.378 nm) üzerindeki geçişini karşılaştırdılar.
Nanopencereler oksidasyon işlemi ile hazırlandı. Böylece seçici geçirgenlik için önemli bir role sahip olan nanopencere kasnakları, hidrojen ve oksijen atomları ile pasifleştirildi.
Video: Grafen, fonon hareketine ve yerel titreşimlere sahiptir. Bu da nano pencere kasnaklarda uyumlu titreşimler oluşmasına neden olur.
Şaşırtıcı bir şekilde, katı nanopencere büyüklüğü hedef molekülerin boyutundan daha küçük olduğunda bile, moleküller nanopencereler yoluyla geçerler. Örneğin, oksijen 0.29 nm nanopencereden, 0.33 nm nanopencereye kıyasla daha hızlı geçer. Geçirgenlik oranındaki farklılık, molekülün nanopencere kasnak ve grafen ile etkileşimi ile ilişkilidir. Mekanizma, nanopencere kasnaktaki oksijen ve hidrojenin; etkileşim enerjisi ve titreşimsel hareketi kullanılarak açıklanmaktadır. Nano ölçekte, nanopencere kasnağından gelen hidrojen ve oksijen atomlarına sahip yerel elektrik alanı, oksijen ve azot moleküllerinin oryantasyonunu belirlemek için yeterince büyüktür. Bu da oksijen moleküllerinden daha küçük olan nanopencereler yoluyla oldukça seçici bir geçirgenlik vermesini sağlar. Bu seçicilik, gaz molekülünün yapısına ve özelliklerine ve nanoperdelerin geometrisine (büyüklüğü ve şekli) ve kasnağın kimyasına bağlıdır.
Termal titreşimlerin neden olduğu nanopencere kasnağındaki hidrojen ve oksijen atomlarının uyumlu oryantasyon hareketleri, pencerenin etkin boyutunu yaklaşık 0.01 nm değiştirir. Nanopencere kasnağındaki uyumlu titreşim, tercih edilen moleküller için nanopencereyi açabilir (bu durum için oksijen gazı).
Bu çalışmada seçicilikleri ölçmek için karışık gazların geçirgenliği değerlendirildi. Ayrıştırma verimi oda sıcaklığında, ve için, sırasıyla 50 ve 1500’ü aştı. Mevcut membranlarda O2 / N2 için seçici geçirgenlik oranı 6 olarak ölçülmüştür, fakat aynı zamanda yüksek nüfuz oranına sahip değiller. Bu durum grafendeki dinamik nanopencerelerin umut verici olma olasılığını göstermektedir.
Endüstride havanın ayrıştırılması işlemi için, büyük miktarda enerji tüketen damıtma yöntemi kullanır. Bu çalışmada kullanılan gazlar; tıp, gıda ve çelik üretimi gibi sektörlerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Dinamik nanopencereler gömülü grafenlerin geliştirilmesi, büyük miktarda enerji tasarrufu sağlayacak ve daha güvenli ve daha verimli süreçler sağlayacaktır.
Kaynak : phys.org
