研究透视：Science综述-原子薄膜，亚原子物质传递

原子薄的二维材料，为亚原子物质的选择性传递提供了机会。单层石墨烯和六方氮化硼的原始晶格，虽然不能渗透氦原子，但允许电子传输，并允许热质子及其同位素传输。 今日，范德堡大学（Vanderbilt University）Piran R. Kidambi团队在Science上发表综述文章，报道了选择性亚原子物质，通过原子薄膜传输的进展及其在能量存储和转换、同位素分离、原位电子显微镜和光谱学，以及未来电子应用方面的变革性进展的潜力。概述了这些应用的技术挑战和机遇，并讨论了开始商用的成像和光谱学的早期采用，以及核工业中的新兴应用和未来在电网存储、清洁/绿色运输、环境修复等。

膜，是薄的物理屏障，允许某些物种的运输，同时限制其他物种。原子级薄的二维 (2D) 材料，是结晶固体，其组成原子键合在平面 2D 片中，为实现允许亚原子物质选择性传输的超薄膜提供了机会。单层石墨烯（碳原子的蜂窝状网格）和六方氮化硼（h-BN，交替的 B 和 N 原子的蜂窝状网格）的原始晶格，对氦等小原子是不可渗透的（在室温下），但允许依赖能量电子的传输和质子和氘核的电场驱动传输。图 1. 石墨烯和 h-BN 原子级薄晶格传输。

通过石墨烯依赖于能量的电子传输，加上其原子薄、不透气、高强度和导电性，提供了克服材料挑战的机会，这些挑战限制了电子显微镜和光谱学在高真空以外的样品环境中的进步。通过 h-BN、石墨烯和其他对小原子具有不可渗透性的 2D 材料的选择性质子传输，可以通过提供解决传统质子交换膜中交叉和阳离子选择性差的持久问题的途径，来帮助推进能量存储和转换过程，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核传输速率的差异，为推进同位素分离提供了变革性的机会，从而超越了当前极其耗能的过程。图 2. 质子透过二维材料的实验和理论方面

石墨烯和 h-BN ，对氦气和其他气体的不渗透性，最初是通过使用单层薄片密封微米大小的充气腔，形成原子级薄气球来证明的。然而，亚原子物质（如电子）隧道穿过单层石墨烯和 h-BN 的晶格，并显示出在垂直晶体管和自旋电子器件的隧道势垒中的应用前景。高能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) 提供了变革机会。石墨烯的高电子透明度，使其可用作透射电子显微镜（高达 ~ 80 kV）的超薄、结晶、导电样品基材，最大限度地减少背景噪声（与 ~ 3 至 20 纳米厚的多孔无定形碳膜相比）以及允许为低温电子显微镜形成均匀的冰厚度。使用石墨烯作为电子透明的分子不可渗透屏障将探测器与样品环境隔离（同时仍允许电子传输到样品和从样品传输）允许推进需要高真空环境（EM 和光谱）的传统原位计量技术到新的领域，如环境压力、液体系统和生物学。图 3 大面积原子级薄二维材料的合成与加工。

质子，通过 h-BN 和石墨烯的渗透性，对原子的渗透提供了减轻反应物和不需要的物质交叉的途径，并提高了质子交换膜的选择性，以提高广泛的能量产生和转换过程的效率，包括 (i) 燃料用于清洁/绿色运输和分布式或移动辅助发电的电池，(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 和石墨烯的选择性质子和氘核渗透率不同（由于振动零点能量的差异）导致 H + / D + 的分离因子为~8 到 14，并为同位素分离提供了转化进步。图 5. 原子级薄膜电子透明性的应用

通过石墨烯和 h-BN 选择性传输，亚原子物质在多个领域具有突破性进展的潜力。然而，对运输机制的详细见解仍在不断涌现。小规模应用将首先出现，例如，以石墨烯作为样品基底的透射电子显微镜网格已上市，并且石墨烯作为成像和光谱学的电子透明屏障的使用正在稳步上升。高质量 2D 材料的可扩展合成以及将它们集成到设备中的简便且经济高效的工艺，对于实现大面积应用至关重要。然而，了解在可扩展合成过程中，不可避免地引入的缺陷的影响以及由此产生的与原始材料相比传输特性的差异，将是必不可少的。还需要研究来评估实际应用条件下的长期 2D 材料耐久性。与现有技术相比，由于具有大幅降低能源消耗的潜力，H + / D + 同位素分离，最有可能在核工业中进行探索。预计其他与能源相关的应用将变得可行，扩大 2D 材料生产可提供规模经济，并在应用生命周期内考虑节能。

文献链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abd7687

本文译自Science.