曼彻斯特大学研究人员的新实验为石墨烯和其他二维材料对气体和液体的不渗透性设定了最佳极限。这项工作还表明，碳薄板可以作为氢裂解的有力催化剂，这一发现有望在未来提供廉价而丰富的催化剂。
从理论上讲，石墨烯具有很高的能量，可以阻止原子和分子穿透，从而可以防止任何气体和液体在室温下渗透。实际上，据安德烈·吉姆爵士（Sir Andre Geim）教授领导的研究人员称，据估计，找到足以在环境条件下穿透无缺陷单层石墨烯的高能原子，将比宇宙的寿命更长。十年前进行的实验已经支持了这一假设，该实验发现单原子厚的石墨烯对氦原子的渗透性比几微米厚的石英膜低，该膜比石墨烯厚10万倍，但石墨烯的抗渗透性仍与理论极限相差甚远。
完全密封的容器
曼彻斯特小组开发了一种测量技术，该技术对渗透气体原子的敏感性比任何已知方法高十亿倍。在《自然》杂志上发表的研究中，他们首先在石墨或氮化硼的单晶中钻了微米级的孔，然后用单原子厚的石墨烯膜覆盖。由于这些容器的上表面是原子平面的，因此盖子可提供完美的气密密封。原子和分子进入容器的唯一途径是通过石墨烯膜。膜本身是柔性的，可对容器内部压力的微小变化做出响应。
然后研究人员将容器放入氦气中。如果原子进入或离开容器，内部的气压将分别增加或减少，并使盖子的表面隆起一些小距离。该团队使用原子力显微镜以埃精确度监控了这些运动。
“新的结果支持了（以前的文献中的一些）有关石墨烯惊人的高催化活性的报道，并提供了解释，由于其母体石墨的极度惰性，这特别违反直觉。”安德烈·盖姆爵士说。
就像“一公里厚的玻璃墙”
根据膜位置的变化，可以精确计算出穿过石墨烯的原子或分子的数量。研究人员发现，每小时不超过几个氦原子（如果有的话）进入或离开其容器。“这种灵敏度比以前的石墨烯不渗透性实验高出八到九个数量级，而石墨烯的不渗透性本身比现代氦气检漏仪的检测极限高几个数量级。原子厚的碳比一千米厚的玻璃壁对气体的渗透性低。” 盖姆爵士解释说。
氦气是所有气体中渗透性最强的气体，这是因为氦气中的原子很小，相互作用力很弱。尽管如此，研究人员还是决定对其他气体，例如氖气、氮气、氧气、氩气、氪气、氙气和氢气进行重复实验。除了氢以外，所有这些都没有显示出与氦相同的渗透率。与所有其他材料相比，氢通过无缺陷石墨烯的渗透得相对较快。《自然》杂志文章的第一作者孙鹏展博士评论说：“这是一个令人震惊的结果：氢分子比氦原子大得多。如果氦原子不能通过，那么大分子在地球上会怎样。”
弯曲石墨烯用于氢解离
该团队将意外的氢渗透归因于石墨烯膜并非完全平坦但具有许多纳米级波纹的事实。那些充当催化活性区域，将吸收的分子氢分解成两个氢原子时，这种反应通常极为不利。与理论一致，石墨烯的波纹有利于氢的分裂。然后，被吸附的氢原子可以相对容易地翻转到石墨烯膜的另一侧，类似于质子通过无缺陷石墨烯的渗透。后一种过程以前是已知的，并可以解释为质子是亚原子粒子，小到足以挤过石墨烯的致密晶格。
盖姆说：“新的结果支持了先前有关石墨烯出乎意料的高催化活性的一些文献报道（并提供了解释），这特别违反直觉，因为它的大块母体石墨具有极高的惰性。”
孙鹏展博士说：“我们的工作为理解为什么石墨烯可以起到催化剂的作用提供了基础，这将激发将来在此类应用中使用这种材料的进一步研究。从某种意义上说，石墨烯纳米波纹的行为就像铂粒子一样，众所周知会分裂分子氢。但是没人能从看似惰性的石墨烯中预期到这一点。”