3月8日消息，比勒费尔德、波鸿和耶鲁大学的研究人员已成功生产出了二维 (2D) 二氧化硅。这种材料含有天然孔隙，因此可以用作分子和离子的筛子。长期以来，科学家们一直在寻找这种材料，因为它们可以帮助淡化海水并用于新型燃料电池。该研究由比勒费尔德大学的 Petr Dementyev 博士、波鸿鲁尔大学的 Anjana Devi 教授和教授共同进行。耶鲁大学的埃里克·奥特曼。
二维二氧化硅层，肉眼看不到，沉积在金表面上。图片来源：埃里克·奥特曼
晶格中天然存在的孔隙
当二维材料被高精度刺穿时，它们可以用来过滤掉某些离子和分子。为此，研究人员一次又一次地尝试对由碳原子组成的石墨烯材料进行穿孔。由于它没有天然毛孔，因此必须人工插入。但是，很难在不永久损坏材料的情况下在石墨烯中创建定义尺寸的孔。这是因为它由于穿孔而失去了机械稳定性。因此，必须找到替代方案。在目前的研究中，研究小组利用了二维二氧化硅的晶格天然含有孔隙这一事实。他们表明，这些孔隙可用于将某些气体彼此分离。
“这非常令人兴奋，因为二维二氧化硅本质上具有非常高密度的小孔，这在人工膜中根本不可能产生，”比勒费尔德超分子系统和表面研究小组的 Petr Dementyev 说：“与穿孔石墨烯不同，这些孔的大小几乎相同。而且它们的数量之多令人难以置信，以至于这种材料的行为就像分子的细网筛。”
二维二氧化硅具有可渗透某些分子的孔（右），但不能渗透其他分子（左）。因此，它就像一个分子筛。图片来源：
大规模制造的难题
2D 二氧化硅自 2010 年以来就已为人所知。但是，它的制造成本非常高，只能小规模生产。来自波鸿、比勒费尔德和耶鲁大学的研究人员汇集了材料化学、化学工程和化学物理学的专业知识，提出了一种新的材料制造工艺。他们使用原子层沉积的方法，在金表面上沉积单层二氧化硅。研究人员使用高压工艺将该层转化为二维形式，然后通过光谱学和显微镜对其进行详细表征。然后，他们在真空室中检查了通过二维膜的气流。
虽然水蒸气和酒精会渗透二氧化硅层，但氮气和氧气无法通过。工业中对这种具有选择性渗透性的材料的需求量很大，然而，在实际使用二维二氧化硅之前，重要的是要准确评估有多少不同的分子可以附着在材料表面或它们如何穿透它。
“我们希望我们的结果与全球材料科学界高度相关，”无机材料化学研究小组的 Anjana Devi 总结道：“这种二维膜可能处于帮助可持续发展的前沿，例如在能源转换或储存领域。”