纳米级乒乓 史上新实验由曼彻斯特大学国家石墨烯研究所的研究人员进行，更加深入地揭示了气体在具有原子平坦壁的微小、埃格级通道中的流动情况。这项新研究发表在《自然》杂志上，显示这些通道的气体流量比理论预期的快了几个数量级。这不仅对纳米尺度分子流的基础研究至为重要，也对脱盐和过滤等应用具有重要意义。报道的异常高流速是由于所谓的“镜面散射”现象，使气体可以穿过通道，就好像通道根本不存在一样。这个效应可以通过想象两个平行表面之间的窄缝来理解。如果表面粗糙，光照射进缝隙会被随机散射。在光子随机方向散射很多次后才能随机出射。如果这两个表面是镜子，光只需要几次反射就能透过表面出射，就好像根本没有阻挡一样。以前的情况通常发生在分子通过管道流动时，而该研究发现了后一种情况。该团队通过研究氦气如何穿透由石墨、六方氮化硼（hBN）或硫化钼（MoS2）晶体切割制成的埃格级狭缝状通道来获得这些结果。这些材料都能被剥离至单层厚度，并提供在室温和常压下稳定的原子平坦表面。这样的埃格级缝隙只有几个原子高度，直到最近才能制造出来。研究领导之一的Radha Boya博士说：“我们的实验表明，氦气在表面散射方面对原子风景非常敏感。例如，相比于其他两种材料制成的通道，氦气穿透硫化钼（MoS2）制成的通道要慢得多。这是因为硫化钼的表面粗糙度与被输送的氦原子的大小及它们的（德布罗意）波长相当。”安德烈·盖姆爵士说：“虽然所有使用的材料都是原子平坦的，但有些比其他材料更平坦。氦原子就像穿越管道的小乒乓球，取决于管道表面是凹凸不平还是光滑，乒乓球从另一端出来的速度就会快慢不同。”石墨是这三种材料中最平坦的。硫化钼对氦原子来说太粗糙了，它们像从凹凸不平的表面反弹出来的乒乓球一样随机。镜面散射只能通过考虑量子效应来解释 - 也就是说，气体分子也有波动性质。研究人员通过比较氢气和它的重同位素氘的气流来证明这一点。他们发现，氢气在二维通道中的流动速度明显快于氘。这项工作对于理解纳米尺度系统具有重要意义。目前，大部分理解来自经典牛顿理论，但实验证明 - 即使在环境条件下 - 一些纳米尺度现象基本上涉及量子效应，并且不能在没有考虑原子也像波一样行为的情况下解释。曼彻斯特团队现在计划研究使用更薄的通道进行气体的尺寸选择性分离，这可能在气体分离技术中有用。”
