问题——气体分离能耗高、选择性与通量难兼顾。 工业制氧、制氮及多种高纯气体制备中，分离与提纯通常依赖压缩、冷却或反复吸附与解析，设备投入大、能耗占比高。此外，传统膜分离多通过孔径与化学作用实现筛分，面对尺寸接近的小分子气体时，常陷入“通量提高、选择性下降”的两难。如何在更小尺度上更精确地引导气体分子运动，并兼顾通过效率，成为低碳分离技术需要回答的关键问题。 原因——突破来自原子尺度“非对称势垒”设计与可控加工。 北京大学研究团队借鉴电子器件中“二极管单向导通”的思路，将其引入气体分子运输，提出并实现一种可对分子进行“定向放行”的结构：在单原子层厚的石墨烯上构筑与目标气体尺度匹配的埃米级孔洞，并引入非对称的几何形貌。该结构使分子从一侧接近时面临更低的能量与几何阻碍，更容易穿过孔道；从反方向接近则遇到更高势垒，通过概率显著降低，从而在同一器件上形成“正向易通、反向难通”的传输特性。 实现该设想的难点在于单层石墨烯极薄，孔径与形状必须控制在原子尺度，微小偏差就可能导致性能变化甚至失效。团队自研制备与监测系统，在加工过程中实时跟踪气体透过速率，将其作为孔结构是否达到目标尺度的反馈信号；当分子透过行为出现与孔径匹配对应的的明显变化时，系统及时终止加工，提高了器件制备的可重复性与可控性。 影响——从“被动扩散”走向“主动整流”，拓展膜科学边界。 研究团队制备多组器件，对10种气体进行系统测试。结果显示，氧气、氮气等7种气体出现清晰的定向通行现象，部分情况下正反向通量差接近百倍。这表明在超薄膜上，气体分子除遵循常规热运动与扩散外，也能实现类似电子器件“整流”的输运调控。 从科学意义看，该成果将信息器件中的关键概念转化为分子尺度的输运控制，为理解与构建“分子级单向通道”提供了可验证的物理图景。石墨烯膜厚度接近极限，传输路径短、潜在通量上限高；再叠加“非对称势垒”带来的方向性控制，为缓解传统膜材料在选择性与通量之间的折中提供了新思路。 对策——面向应用需补齐工程化与可靠性验证。 业内人士指出，要从实验室原型走向工程应用，还需在三上持续推进：一是扩大制备规模并提升一致性控制，实现更大面积器件的稳定制造；二是评估长期运行下的结构稳定性与抗污染能力，尤其要验证含水、含杂质或复杂混合气环境中孔结构与性能是否保持稳定；三是提出可模块化集成方案，与现有分离流程衔接，量化其在能耗、成本和维护周期上的综合收益。围绕这些问题，仍需材料、力学、工程放大与过程系统等多学科协同，打通从机理到工艺再到装备的路径。 前景——有望为低碳分离与高纯气体制备提供新工具。 气体分离是化工、能源、冶金及医疗供气等领域的基础环节。若“气体分子二极管”未来能够针对目标气体实现稳定整流，并具备可规模化制备能力，可能在制氧、制氮及其他关键气体提纯中降低压缩与循环负荷，带来更节能的分离方案。同时，其“方向性调控”特征也可能拓展到微纳流体、气体传感与可控输运器件等方向，为分子级功能器件提供新的设计空间。相关成果已发表于《自然·材料》，也显示我国在二维材料微结构调控与分子输运器件探索上取得新的进展。
从电流“单向导通”到气体分子“定向通行”，这项突破不仅提出了新概念器件，更展示了通过原子级结构设计来改变微观输运行为的可能。面向“双碳”目标与高端制造需求，基础研究与工程化推进能否形成合力，将决定这类微观创新能否转化为更高效、更绿色的产业能力。