与你家的窗户不同，日本信州大学和法国巴黎文理学院的科学家们在石墨烯里也发现了一种“窗户”。这种窗户被称为“纳米窗”，是由独特的石墨烯纳米孔结构构成，通过“开关”孔两侧的原子，我们可以选择性地控制让某类空气分子通过。这对目前只能借助蒸馏进行空气分离的工业界来说，简直是一大喜讯。石墨烯动态纳米窗不但能消除蒸馏耗能高的问题，而且还使分离工艺更安全高效，这将是未来空气分离的发展方向。

      信州大学和巴黎文理学院的科学家们先是通过理论证明了这种纳米窗结构分离空气的可行性。纳米窗能够进行分离的原因是，孔两侧的原子振动能有效地改变纳米窗的尺寸。当孔两侧的原子分别向两个相反方向移动时候，纳米窗呈现出“开”的状态，尺寸将变得比不移动时大。相应的，当孔两侧的原子分别向相同的方向移动时候，纳米窗呈现出“闭”的状态，尺寸将变得比不移动时小。

      通过这种方式，他们发现能调控孔两侧原子的运动模式使特定尺寸的原子或分子通过，这为创建先进的分子分离膜技术带来了新的可能性。并且相对于传统的蒸馏技术，它更高效节能。相关的结论他们以论文的形式发表在《Nature Communications》上，论文题目为“Air separation with graphene mediated by nanowindow-rim concerted motion”(通过调控石墨烯纳米窗的运动控制空气分离)

 

这是一个纳米窗开闭功能组合模型，可以通过调控开闭状态使O₂通过。(图片来源：自然通讯)

      空气的主要成分为氮气、氧气和氩气，它们的分子大小分别为0.299、0.305和0.363纳米。它们在工业中有很高的需求量，但目前的方法还止步在传统的蒸馏上，所以新的空气分离技术一直备受期待。

      因此科学家们开始从理论走向实践，他们将纳米窗氧化处理，使它们的边缘被氢和氧原子钝化，这对选择性渗透过程非常重要。之后通过调控纳米窗的分子运动，让纳米窗呈现出6种不同尺寸(分别为0.257、0.273、0.297、0.330、0.370和0.378纳米)，再分别通空气观察透过情况。

      结果令人惊讶，即使纳米窗的孔隙尺寸小于目标分子(氧气)尺寸，目标分子也可通过孔隙。例如，直径为0.305纳米的氧气在通过0.29纳米的孔隙时比0.33纳米的通过速度更快。后来在解释过程中，他们发现这种差异是纳米孔两侧原子和石墨烯之间结合作用导致的。

      他们用氧和氢在纳米窗两侧边缘处的振动情况和相互作用能来解释这个机制。在纳米尺度下，纳米窗边缘的氢氧原子间局部电场足够大，大到可以确定氧和氮分子的取向，从而使氧分子很轻易地通过间隙小于其直径的纳米窗。

      这种氢氧原子间的作用也使它对气体的选择性很高，气体是否能通过受气体分子的结构性质、几何形状(大小和形状)以及边缘化学性质的影响。

      由热振动引起的纳米窗边缘的氢氧原子的一致取向运动可使窗口的有效尺寸变化约0.01纳米，这种协同振动可以使纳米窗打开以通过优选分子(在这种情况下为氧气)。

      这项研究还测量了不同混合气体的通过情况来评估纳米窗的选择性。在室温下O₂ / N₂和O₂ / Ar的分离效率分别超过50和1500 。相比较市场现有的空气选择膜，O₂ / N₂的分离效率才达到6，通过速度太低。在数据对比下更显得石墨烯纳米窗的动态调控法更有实施的可能性。

      氮气、氧气和氩气已经广泛使用于各种行业，如医疗，食品，汽车等。这种嵌入式动态调控的石墨烯纳米窗不但将节省大量能源，而且还能使分离工艺更安全高效，这将是空气分离的未来希望。