電子的單向開關(guān)，奠定了現(xiàn)代信息社會的基石。如今，科學(xué)家把這種“定向通行”的奇思妙想，拓展到了微觀世界里的氣體分子上。北京大學(xué)集成電路學(xué)院王路達(dá)教授聯(lián)合力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院宋柏教授團隊，成功研制出國際首個高效“氣體分子二極管”，實現(xiàn)了對氣體分子如同電子在二極管中那樣單向、定向的流動控制，一個方向的氣體流動最快可比另一方向快出近百倍。若未來用于氣體分離領(lǐng)域，意味著更為高效節(jié)能。相關(guān)成果日前發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然·材料》。

要理解這項成果有多“神奇”，得先明白二極管是什么。王路達(dá)解釋說，在電子世界，二極管就是那個只允許電流從一個方向流動的“單行道”，如果把電子比作訓(xùn)練有素的士兵，能在芯片的“高速公路”上聽從指令、單向沖鋒，那氣體分子則像一群頑固的“自由兵”。而如今，研究團隊則讓這群“自由兵”首次排起了隊，看向了同一個方向。

團隊的靈感，來自一個精巧的“不對稱”設(shè)計。他們把目光投向了石墨烯——這種僅有一個原子層厚度的材料，薄到堪稱“二維世界的神奇薄膜”。團隊要做的，就是在這層薄膜上打一個孔，這個孔的大小，要和氧氣、氮氣這些小分子的個頭差不多——也就是埃米級（1埃米等于一百億分之一米）。

更重要的是，團隊在石墨烯上構(gòu)筑了“不對稱”的埃米孔結(jié)構(gòu)：分子從一個方向過來，像走平緩斜坡，稍稍用力就能“翻”過去；從反方向過來，卻要直面一道陡峭“臺階”，幾乎無法跨越。正是這種原子級別的“地形高差”，讓氣體分子只能乖乖地朝一個方向走。

“在單原子層厚的石墨烯上，刻出一個大小精確、形狀不對稱的孔，無異于在頭發(fā)絲上雕巨型畫作?！蓖趼愤_(dá)介紹，團隊自主研發(fā)的一套系統(tǒng)，成功攻克了這一難關(guān)。這套系統(tǒng)非?！奥斆鳌保茉诮o石墨烯“打孔”的過程中，實時監(jiān)測氣體分子穿過石墨烯的快慢，并以此作為觀察孔大小的“眼睛”。一旦孔的大小剛好和目標(biāo)分子匹配，系統(tǒng)就會察覺到氣體通過速度的明顯變化，并自動“喊?！?。

為了檢驗“氣體分子二極管”性能，團隊制備了多組器件，對10種氣體進(jìn)行系統(tǒng)測試。結(jié)果顯示，氧氣、氮氣等7種氣體均展現(xiàn)出定向通行效果。

“這項突破不只是實驗室里的新發(fā)現(xiàn)，更有望在現(xiàn)實世界中派上大用場?！蓖趼愤_(dá)解釋說，以后提純氧氣、氮氣等重要氣體，可能會比現(xiàn)在更節(jié)能、更低碳、更高效。（記者晉浩天）