ナノ科学：二次元チャネルを通るバリスティックな分子輸送
Nature 558, 7710 doi: 10.1038/s41586-018-0203-2
ナノスケールの細孔を通る気体透過は、自然界の至る所で見られ、多くの技術分野において重要な役割を果たしている。一般に細孔サイズは気体分子の平均自由行程よりも小さいので、気体分子の流れは通常、閉じ込め壁での拡散反射（ランダムな角度での散乱）を仮定するクヌーセン理論によって記述される。この仮定は実験において驚くほどうまく当てはまり、部分的な鏡面反射（鏡のような反射）は数例しか知られていない。今回我々は、壁面が原子レベルで平坦なオングストロームスケールのチャネルを通る気体輸送について報告し、微細な表面原子形状に依存して表面散乱が拡散反射性にも鏡面反射性にもなり得ることと、量子効果が室温での鏡面反射性に寄与することを示す。グラフェンや窒化ホウ素でできたチャネルでは、ヘリウムガスの流速が理論予想よりも数桁速くなる。これは、バリスティック輸送と無摩擦の気体流をもたらす鏡面散乱によって説明される。壁が二硫化モリブデンの同様のチャネルは、グラフェンや窒化ホウ素の場合よりもはるかに遅い透過を示し、クヌーセン拡散によってうまく記述される。我々は、二硫化モリブデン表面では原子の凹凸がグラフェンや窒化ホウ素より大きく、この凹凸の高さが輸送されるヘリウム原子のサイズやド・ブロイ波長と同等であるため、この違いが生じたと考える。この物質波の寄与の重要性は、古典的な流れについて予想される関係とは異なり、水素の質量流量が重水素のそれよりも著しく大きいという逆同位体効果の観測によって裏付けられた。今回の結果は、これまでシミュレーションでしか得られなかった分子透過の原子的詳細に関する知見をもたらすとともに、原子の量子力学的サイズとサイズが同程度の制御された閉じ込めの下で気体輸送研究を行うことができる可能性を示すものである。
