材料科学：原子1個の厚さの結晶を通るプロトン輸送
Nature 516, 7530 doi: 10.1038/nature14015
グラフェンは、新しい分離技術を開発できるプラットフォームとして研究が盛んになっている。グラフェンが最も薄い膜であり、原子精度で穴を開ければ、気体、液体、溶存イオンや他の目的種を超高速で高度に選択的にふるい分けできることから、こうした関心が生まれている。しかし、完全なグラフェン単層は、周囲条件下では、あらゆる原子や分子を通さない。最も小さい原子である水素でも、グラフェンの密度の高い電子雲を透過するには数十億年かかると予測されている。加速された原子のみが、グラフェンを透過するのに必要な運動エネルギーを持っている。これと同じ挙動は、他の原子レベルに薄い結晶の場合にも当然予測される。本論文では、グラフェンと六方晶窒化ホウ素（hBN）の単層は、周囲条件下で熱プロトンを非常によく透過するが、単層二硫化モリブデン、二層グラフェン、多層hBNなどのより厚い結晶ではプロトン輸送が検出されないことを立証する輸送測定と質量分析測定の結果を報告する。プロトンは、電子（原子レベルの薄さの障壁を容易に透過できる）と原子の間の中間的な事例であるが、測定された輸送速度は予想外に高く、この輸送過程の詳細に関して基本的な問題が提起される。室温でのプロトン伝導率が最大になるのは単層hBNで、測定されたプロトン流に対する抵抗率は約10 Ω cm2であり、活性化エネルギーは約0.3 eVと低いことが分かった。より高い温度では、hBNよりグラフェンが優れており、その抵抗率は250°C以上で10−3 Ω cm2を下回ると見積もられる。触媒金属ナノ粒子をグラフェン膜やhBN膜に蒸着すると、プロトン輸送をさらに増大できる。選択的な高いプロトン伝導率と安定性によって、原子1個の厚さの結晶は多くの水素利用技術用の有望な候補材料となる。
