最新Nature：二维晶体中质子通过纳米尺度波纹的快速输运

【导读】

无缺陷石墨烯在环境条件下对所有原子和离子都是不渗透的。能够解析每小时几个原子通过微米尺寸膜的气体流动的实验发现，单晶石墨烯对最小的原子氦气是完全不渗透的。这种膜也被证明对所有离子都是不渗透的，包括最小的离子- -锂。相比之下，石墨烯被报道对质子，氢原子的核具有高渗透性。然而，无论是关于出乎意料的高质子渗透率背后的机理，还是关于它是否需要石墨烯晶格中的缺陷，都没有达成共识。

【成果掠影】

今日，英国华威大学P. R. Unwin和曼彻斯特大学M. Lozada-Hidalgo、A. K. Geim课题组合作，利用高分辨扫描电化学池显微镜(SECCM)发现虽然通过机械剥离的单层石墨烯和六方氮化硼的质子渗透不能归因于任何结构缺陷，但二维膜的纳米波纹极大地促进了质子传输。本工作通过SECCM观察到的质子电流的空间分布显示出明显的不均匀性，这些不均匀性与纳米波纹和应变积累的其他特征密切相关。本工作的结果强调了纳米尺度的形貌是实现质子通过二维晶体传输的重要参数，大多被认为是平面的，并且表明应变和曲率可以作为额外的自由度来控制二维材料的质子渗透性。相关论文以题为“Proton transport through nanoscale corrugations in two-dimensional crystals”的论文发表在Nature上。

【数据概况】

图1. 通过2D晶体的质子电流的纳米级可视化© 2023 The author

图2. 质子在2D晶体中传输的非均匀性© 2023 The author

【成果启示】

总之，本工作的实验表明，在没有缺陷的二维晶体中，应变诱导的形态特征与周围质子传导率的增强有关。一个值得注意的例子是石墨烯褶皱不需要任何晶格缺陷，但会导致高质子电流，这与CVD石墨烯中晶界的情况并不相同。本工作的研究结果还表明，在2D膜中普遍存在的纳米波纹会导致相当大的应变，加速质子在名义上平坦区域的传输。这一点很重要，因为石墨烯通常被建模为完美平整的无应变晶体。由于二维薄膜中的应变和曲率通常可高达10%，理论预测平板无应变石墨烯的E0高达1.5 eV，这与实验报道的势垒约为1.0 eV是一致的。最后，应变和曲率可以用来增强二维晶体的质子传导性，这对于涉及质子传输的各种应用是有意义的。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06247-6