稀有气体在化学上是惰性的，不会与其他材料发生反应，这使得检测它们具有一定的挑战性。代尔夫特理工大学和杜伊斯堡-埃森大学的科学家们利用石墨烯的运动来识别稀有气体，研究结果发表在《Nature Communications》杂志上。
石墨烯是一种薄型材料，仅由一层碳原子组成。它独特的原子厚度使它成为气体和液体的完美过滤材料：石墨烯本身它不具有渗透性，但小孔使它具有很强的渗透性。此外，这种材料是已知的最坚固的材料之一，可以承受高压力。这两个特点共同为新型气体传感器提供了完美的基础。
科学家们使用由双层石墨烯（厚度为0.7纳米）制成的微型气球，气球上有直径达25纳米的极小纳米孔，来探测气体。他们用激光加热气球内的气体，使其膨胀。加压后的气体就会从穿孔中逸出。"就像一个气球，当放空里面的空气时，它就会瘪下去，"代尔夫特理工大学的研究员Irek Rosoń说，"我们测量气球瘪下去的时间。在如此小的尺度下，这一过程发生得非常快，大约在1/100.000秒内，而且有趣的是，时间的长短很大程度上取决于气体的类型和孔隙的大小。例如氦气，一种分子速度很高的轻质气体，逃逸的速度是氪气的五倍，而氪气是一种重且移动缓慢的气体。" 这种方法可以根据气体的质量和分子速度来区分气体，通常这需要大型质谱仪。
石墨烯气球在100千赫的高频光热力的作用下，不断地被驱动，使气体非常迅速地通过纳米孔隙被抽入抽出。通过观察石墨烯的机械运动，可以研究气体的渗透情况。在低抽气频率下，气体有足够的时间逸出，不会对石墨烯的运动产生明显影响。然而，在增加抽气频率时，膜会承受非常大的阻力，特别是当抽气周期与气体离开气球的时间相同时。"通过在不同频率下的测量，我们可以找到阻力的那个峰值。观察到峰值的频率对应于气体的渗透速度。"
研究人员将这一想法延伸到研究气体通过纳米通道的流动。将气球连接到一个长通道上，使气体更难逃逸。放气时间的增加使实验人员对纳米通道内的气体流动力学有了深入了解。总的来说，这项工作显示了石墨烯的非凡特性是如何被用来研究纳米级的气体动力学，以及如何设计新型的传感器和设备。在未来，这可以使小型、低成本和多功能的传感器设备在工业应用中确定气体混合物的成分或用于空气质量监测。
论文标题为《High-frequency gas effusion through nanopores in suspended graphene》。