電子的單向開關，奠定了現代信息社會的基石。如今，科學家把這種“定向通行”的奇思妙想，拓展到了微觀世界裡的氣體分子上。北京大學集成電路學院王路達教授聯合力學與工程科學學院宋柏教授團隊，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。若未來用於氣體分離領域，意味著更為高效節能。相關成果日前發表於國際學術期刊《自然·材料》。

要理解這項成果有多“神奇”，得先明白二極管是什麼。王路達解釋說，在電子世界，二極管就是那個隻允許電流從一個方向流動的“單行道”，如果把電子比作訓練有素的士兵，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埃米等於一百億分之一米）。

更重要的是，團隊在石墨烯上構筑了“不對稱”的埃米孔結構：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“台階”，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，無異於在頭發絲上雕巨型畫作。”王路達介紹，團隊自主研發的一套系統，成功攻克了這一難關。這套系統非常“聰明”，它能在給石墨烯“打孔”的過程中，實時監測氣體分子穿過石墨烯的快慢，並以此作為觀察孔大小的“眼睛”。一旦孔的大小剛好和目標分子匹配，系統就會察覺到氣體通過速度的明顯變化，並自動“喊停”。

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

“這項突破不只是實驗室裡的新發現，更有望在現實世界中派上大用場。”王路達解釋說，以后提純氧氣、氮氣等重要氣體，可能會比現在更節能、更低碳、更高效。（記者晉浩天）