膜，登上Science综述！

膜是用于选择性分离气体或液体的薄层材料，用于从台式实验到工业流程的一系列规模。但是，用膜来分离尺寸或化学性质非常相似的材料时出现了挑战，特别是在最小的尺度上。

范德堡大学Kidambi等人在Science上发表综述，Subatomic species transport through atomically thin membranes: Present and future applications，回顾了使用石墨烯或六方氮化硼（h-BN）等原子厚度的二维材料分离亚原子物种（包括电子、氢同位素和气体）的进展。作者探讨了大尺寸薄膜的制备及其在能源、显微镜和电子学相关应用中的潜在用途。

膜是薄薄的物理屏障，允许运输某些物种，同时限制其他物种。原子厚度的二维（2D）材料是固体晶体，其组成原子粘合在平面2D片中，为实现超薄膜提供了机会，允许选择性地传输亚原子物种。单层石墨烯（碳原子的蜂窝网）和六方氮化硼（h-BN，交替B和N原子的蜂窝网）的原始晶格对氦等小原子（在室温下）不渗透，但允许电子的能量依赖传输以及质子和氘的电场驱动传输。

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图1. 通过石墨烯和h-BN原子薄晶格的传输

通过石墨烯进行能量依赖的电子传输，加上其原子层薄、对气体不渗透、高强度和导电性，为克服材料挑战提供了机会，这些挑战限制了电子显微镜和光谱学向高真空以外的采样环境的进步。通过h-BN、石墨烯和其他对小原子不渗透的2D材料进行选择性质子传输，可以帮助推进能量存储和转换过程，方法是提供解决常规质子交换膜中持续存在的交叉和阳离子选择性差问题的途径，这些问题通常会导致长期效率下降。通过h-BN和石墨烯的选择性质子和氘传输速率的差异为推进同位素分离在极能量密集型的当前过程提供了变革性的机会。

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图2. 质子透过二维材料的实验与理论研究

石墨烯和h-BN对氦和其他气体的不渗透性最初是通过使用单层片密封微米大小的充气腔，形成原子薄的气球。然而，电子等亚原子物种通过单层石墨烯和h-BN的晶格隧道，有望在垂直晶体管和自旋电子器件隧道屏障中的应用。能量电子通过石墨烯的传输随其动能而变化，并为推进电子显微镜（EM）提供了变革性机会。石墨烯的高电子透明度使其能够用作超薄、结晶、导电的样品衬底，用于透射电子显微镜（高达约80 kV），最大限度地减少背景噪音（与~3-20 nm厚的孔状非晶碳薄膜相比），并允许形成均匀的冰厚度用于低温电子显微镜。使用石墨烯作为透电子、不透分子的屏障，将探测器与样品环境隔离开来（同时仍然允许电子进出样本），可以将传统的原位技术推进到环境高压、液体系统和生物学等新前沿。

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图3. 大面积原子薄二维材料的合成与加工

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图4. 质子通过原子薄膜传输的应用

h-BN和石墨烯仅透过质子，但不透过其他原子，为缓解反应物和不需要的物质的交叉提供了途径，并提高了质子交换膜的选择性，可以提高在多种能源产生和转换过程中的效率，包括（i）清洁/绿色运输和分布式或移动辅助发电的燃料电池，（ii）用于分布式氢生产和纯化的电化学氢泵，以及（iii）用于电网存储的氧化还原液流电池。通过h-BN和石墨烯选择性质子和氘渗透率不同（由于振动零点能量的差异），导致H⁺/D⁺的分离因子约为8至14，这为同位素分离提供了变革性的进展。

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图5. 原子薄膜在透射电子显微镜上的应用

展望

亚原子物种通过石墨烯和h-BN选择性迁移为几个领域的突破性进展提供了潜力。然而，对运输机制的详细见解仍在研究中。小规模应用将首先出现，例如，以石墨烯为样品衬底的透射电子显微镜网格已经商业化，石墨烯作为成像和光谱学电子透明屏障的使用正在稳步上升。

高质量2D材料的可扩展合成和具有低成本的工艺将它们集成到设备中是实现大面积应用的必要条件。

然而，了解可拓展合成过程中不可避免的缺陷的影响，以及由此产生的与原始材料相比运输特性的差异至关重要。还需要进行研究，以评估2D材料在现实应用条件下的长期耐久性。与现有技术相比，H⁺/D⁺同位素分离具有大幅减少能源消耗的潜力，因此最有可能在核工业中进行探索。规模化的2D材料生产提供了规模经济，并考虑到应用生命周期内的能源节约，其他与能源相关的应用有望实现。

文献信息

Kidambi et al., Subatomic species transport through atomically thinmembranes: Present and future applications. Science 374, eabd7687 (2021).

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abd7687

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