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膜是用于選擇性分離氣體或液體的薄層材料，用于從臺式實驗到工業流程的一系列規模。但是，用膜來分離尺寸或化學性質非常相似的材料時出現了挑戰，特別是在最小的尺度上。

范德堡大學Kidambi等人在Science上發表綜述，Subatomic species transport through atomically thin membranes: Present and future applications，回顧了使用石墨烯或六方氮化硼（h-BN）等原子厚度的二維材料分離亞原子物種（包括電子、氫同位素和氣體）的進展。作者探討了大尺寸薄膜的制備及其在能源、顯微鏡和電子學相關應用中的潛在用途。

膜是薄薄的物理屏障，允許運輸某些物種，同時限制其他物種。原子厚度的二維（2D）材料是固體晶體，其組成原子粘合在平面2D片中，為實現超薄膜提供了機會，允許選擇性地傳輸亞原子物種。單層石墨烯（碳原子的蜂窩網）和六方氮化硼（h-BN，交替B和N原子的蜂窩網）的原始晶格對氦等小原子（在室溫下）不滲透，但允許電子的能量依賴傳輸以及質子和氘的電場驅動傳輸。

膜，登上Science綜述！

圖1. 通過石墨烯和h-BN原子薄晶格的傳輸

通過石墨烯進行能量依賴的電子傳輸，加上其原子層薄、對氣體不滲透、高強度和導電性，為克服材料挑戰提供了機會，這些挑戰限制了電子顯微鏡和光譜學向高真空以外的采樣環境的進步。通過h-BN、石墨烯和其他對小原子不滲透的2D材料進行選擇性質子傳輸，可以幫助推進能量存儲和轉換過程，方法是提供解決常規質子交換膜中持續存在的交叉和陽離子選擇性差問題的途徑，這些問題通常會導致長期效率下降。通過h-BN和石墨烯的選擇性質子和氘傳輸速率的差異為推進同位素分離在極能量密集型的當前過程提供了變革性的機會。

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圖2. 質子透過二維材料的實驗與理論研究

石墨烯和h-BN對氦和其他氣體的不滲透性最初是通過使用單層片密封微米大小的充氣腔，形成原子薄的氣球。然而，電子等亞原子物種通過單層石墨烯和h-BN的晶格隧道，有望在垂直晶體管和自旋電子器件隧道屏障中的應用。能量電子通過石墨烯的傳輸隨其動能而變化，并為推進電子顯微鏡（EM）提供了變革性機會。石墨烯的高電子透明度使其能夠用作超薄、結晶、導電的樣品襯底，用于透射電子顯微鏡（高達約80 kV），最大限度地減少背景噪音（與~3-20 nm厚的孔狀非晶碳薄膜相比），并允許形成均勻的冰厚度用于低溫電子顯微鏡。使用石墨烯作為透電子、不透分子的屏障，將探測器與樣品環境隔離開來（同時仍然允許電子進出樣本），可以將傳統的原位技術推進到環境高壓、液體系統和生物學等新前沿。

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圖3. 大面積原子薄二維材料的合成與加工

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圖4. 質子通過原子薄膜傳輸的應用

h-BN和石墨烯僅透過質子，但不透過其他原子，為緩解反應物和不需要的物質的交叉提供了途徑，并提高了質子交換膜的選擇性，可以提高在多種能源產生和轉換過程中的效率，包括（i）清潔/綠色運輸和分布式或移動輔助發電的燃料電池，（ii）用于分布式氫生產和純化的電化學氫泵，以及（iii）用于電網存儲的氧化還原液流電池。通過h-BN和石墨烯選擇性質子和氘滲透率不同（由于振動零點能量的差異），導致H⁺/D⁺的分離因子約為8至14，這為同位素分離提供了變革性的進展。

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圖5. 原子薄膜在透射電子顯微鏡上的應用

展望

亞原子物種通過石墨烯和h-BN選擇性遷移為幾個領域的突破性進展提供了潛力。然而，對運輸機制的詳細見解仍在研究中。小規模應用將首先出現，例如，以石墨烯為樣品襯底的透射電子顯微鏡網格已經商業化，石墨烯作為成像和光譜學電子透明屏障的使用正在穩步上升。

高質量2D材料的可擴展合成和具有低成本的工藝將它們集成到設備中是實現大面積應用的必要條件。

然而，了解可拓展合成過程中不可避免的缺陷的影響，以及由此產生的與原始材料相比運輸特性的差異至關重要。還需要進行研究，以評估2D材料在現實應用條件下的長期耐久性。與現有技術相比，H⁺/D⁺同位素分離具有大幅減少能源消耗的潛力，因此最有可能在核工業中進行探索。規模化的2D材料生產提供了規模經濟，并考慮到應用生命周期內的能源節約，其他與能源相關的應用有望實現。

文獻信息

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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