电子的单向开关，奠定了现代信息社会的基石。如今，科学家把这种“定向通行”的奇思妙想，拓展到了微观世界里的气体分子上。北京大学集成电路学院王路达教授联合力学与工程科学学院宋柏教授团队，成功研制出国际首个高效“气体分子二极管”，实现了对气体分子如同电子在二极管中那样单向、定向的流动控制，一个方向的气体流动最快可比另一方向快出近百倍。若未来用于气体分离领域，意味着更为高效节能。相关成果日前发表于国际学术期刊《自然·材料》。
要理解这项成果有多“神奇”，得先明白二极管是什么。王路达解释说，在电子世界，二极管就是那个只允许电流从一个方向流动的“单行道”，如果把电子比作训练有素的士兵，能在芯片的“高速公路”上听从指令、单向冲锋，那气体分子则像一群顽固的“自由兵”。而如今，研究团队则让这群“自由兵”首次排起了队，看向了同一个方向。
团队的灵感，来自一个精巧的“不对称”设计。他们把目光投向了石墨烯——这种仅有一个原子层厚度的材料，薄到堪称“二维世界的神奇薄膜”。团队要做的，就是在这层薄膜上打一个孔，这个孔的大小，要和氧气、氮气这些小分子的个头差不多——也就是埃米级（1埃米等于一百亿分之一米）。
更重要的是，团队在石墨烯上构筑了“不对称”的埃米孔结构：分子从一个方向过来，像走平缓斜坡，稍稍用力就能“翻”过去；从反方向过来，却要直面一道陡峭“台阶”，几乎无法跨越。正是这种原子级别的“地形高差”，让气体分子只能乖乖地朝一个方向走。
“在单原子层厚的石墨烯上，刻出一个大小精确、形状不对称的孔，无异于在头发丝上雕巨型画作。”王路达介绍，团队自主研发的一套系统，成功攻克了这一难关。这套系统非常“聪明”，它能在给石墨烯“打孔”的过程中，实时监测气体分子穿过石墨烯的快慢，并以此作为观察孔大小的“眼睛”。一旦孔的大小刚好和目标分子匹配，系统就会察觉到气体通过速度的明显变化，并自动“喊停”。
为了检验“气体分子二极管”性能，团队制备了多组器件，对10种气体进行系统测试。结果显示，氧气、氮气等7种气体均展现出定向通行效果。
“这项突破不只是实验室里的新发现，更有望在现实世界中派上大用场。”王路达解释说，以后提纯氧气、氮气等重要气体，可能会比现在更节能、更低碳、更高效。
来源：光明日报
编辑：柯欣
审核：王汝霖
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