圖片來(lái)源： AlexanderAlUS/Wikipedia/CC BY-SA 3.0

科學(xué)家們正致力于將石墨烯（薄且質(zhì)地堅(jiān)硬的碳層材料）制成超薄薄膜，用于制備性能更好、使用壽命更長(zhǎng)久的水過(guò)濾器，以快速凈化大容量水體中的污染物。

石墨烯的獨(dú)特性能使其成為水過(guò)濾或海水淡化的理想材料。但在大規(guī)模應(yīng)用前，還須克服一個(gè)缺點(diǎn)，即制備單原子層石墨烯薄膜是一個(gè)超精細(xì)的操作過(guò)程，很容易在制備過(guò)程中將材料結(jié)構(gòu)破壞從而使成品存在結(jié)構(gòu)缺陷，污染物會(huì)從這些缺陷部分滲漏。

目前，來(lái)自麻省理工學(xué)院（MIT）、橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Oak Ridge Natio nal Laboratory）、法赫德國(guó)王石油礦產(chǎn)大學(xué)（ King Fahd University of Petroleum and Minerals，KFUPM）的工程師們，將化學(xué)淀積和聚合技術(shù)結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)了一種可以修復(fù)這一缺陷的方案。然后團(tuán)隊(duì)運(yùn)用了一種先前已得到的方案，在材料中構(gòu)建出細(xì)小卻規(guī)則的孔，孔徑大小僅允許水通過(guò)。

研究人員通過(guò)將化學(xué)淀積和聚合技術(shù)結(jié)合起來(lái)，可以制備出尺寸相對(duì)較大（一美分硬幣大?。┣覠o(wú)結(jié)構(gòu)缺陷的石墨烯膜。膜材的尺寸大小至關(guān)重要：用作過(guò)濾膜時(shí)，成品的尺寸大小要能夠達(dá)到厘米范圍，或是更大。

實(shí)驗(yàn)中，研究人員讓水透過(guò)經(jīng)過(guò)他們雙重改良（修復(fù)+致孔）后的石墨烯膜，然后將其過(guò)濾效果與目前常用的海水淡化膜進(jìn)行比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，石墨烯膜能夠過(guò)濾掉大部分的大分子污染物（如硫酸鎂和葡聚糖）。

麻省理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)副教授Rohit Karnik說(shuō)道：“至少在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上，我們已經(jīng)能夠修復(fù)石墨烯膜缺陷，要知道，之前石墨烯在宏觀領(lǐng)域的分子過(guò)濾是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。如果我們能進(jìn)一步優(yōu)化制備流程，也許未來(lái)就不需要對(duì)缺陷進(jìn)行修復(fù)了。但我個(gè)人認(rèn)為不可能得到這種“**石墨烯”，污染物雜質(zhì)滲漏的情況總會(huì)發(fā)生。雙重改良（修復(fù)+致孔）就是例子。

圖片說(shuō)明：工程師們通過(guò)兩步法成功彌補(bǔ)石墨烯膜的結(jié)構(gòu)缺陷。在進(jìn)行操作前，首先將石墨烯材料附在銅表面（左上圖），該過(guò)程會(huì)使石墨烯材料產(chǎn)生內(nèi)在缺陷（如圖中的裂紋所示）。再將石墨烯層揭起并將其覆在多孔層上（右上圖），這一過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致更多的孔洞和裂紋。第一步操作（左下圖），使用原子層沉積技術(shù)將鉿（圖中灰色部分）填充在裂縫中；然后通過(guò)界面聚合法（interfacial polymerization）用聚酰胺纖維將剩下的孔洞填補(bǔ)。圖片來(lái)源：MIT

極精細(xì)的轉(zhuǎn)移過(guò)程

O'Hern說(shuō)道：“當(dāng)前能夠?qū)⒑ＫD(zhuǎn)化為淡水的膜材尺寸較厚（有200個(gè)納米單位厚）。相比之下，石墨烯膜的尺寸大約只有三埃（比現(xiàn)存膜材薄600倍）。這就使其用于過(guò)濾水時(shí)效率更高。”

O'Hern和Karnik過(guò)去幾年一注致力于研究如何將石墨烯做成濾膜。2009年，團(tuán)隊(duì)開(kāi)始試著將石墨烯覆在銅（這種金屬支持石墨烯在其表面進(jìn)行大范圍改性）表面制膜。不過(guò)，水無(wú)法透過(guò)金屬銅，所以之后需要將石墨烯轉(zhuǎn)移至多孔層上。

然而，O'Hern發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)移過(guò)程會(huì)導(dǎo)致石墨烯出現(xiàn)裂紋。此外，在石墨烯生長(zhǎng)過(guò)程中還會(huì)生成內(nèi)在缺陷，這些都會(huì)影響膜材的過(guò)濾效果。

將石墨烯膜的孔洞“堵住”

為了解決上述問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)想出了一種技術(shù)首先解決內(nèi)在缺陷，然后解決轉(zhuǎn)移過(guò)程造成的缺陷。研究人員使用了一種叫做原子層沉積（atomic layer deposition）的技術(shù)解決內(nèi)在缺陷，將石墨烯膜置于真空室中，然后通過(guò)震動(dòng)將含鉿的化學(xué)物質(zhì)（通常不會(huì)與石墨烯發(fā)生反應(yīng)）添加至缺陷部位。不過(guò)如果化學(xué)物質(zhì)接觸到了石墨烯的小開(kāi)口，該部位較高的表面能會(huì)導(dǎo)致化學(xué)物質(zhì)和開(kāi)口粘合在一起。

經(jīng)過(guò)了幾輪原子層沉積試驗(yàn)，研究人員發(fā)現(xiàn)二氧化鉿能夠成功地沉積入石墨烯的納米級(jí)缺陷中。不過(guò)O'Hern意識(shí)到使用相同的方法填充更大的孔洞和裂紋（尺寸為幾百納米）還需更多的時(shí)間。

他和他的同事們想出了第二種技術(shù)來(lái)解決更大的缺陷，選用了一種叫做界面聚合的方法（interfacial polymerization），該方法經(jīng)常用于制備膜材。填充完石墨烯的內(nèi)在缺陷之后，研究人員將膜材侵入到兩種溶液（水浴和不與水混溶有機(jī)溶劑，如油）的界面。

兩種溶液分別溶解掉了兩種不同的分子，從而反應(yīng)制得聚酰胺纖維。只要將石墨烯膜置于兩種溶液的界面，聚酰胺纖維就會(huì)生成并填充入裂紋和孔洞中（因?yàn)橹挥羞@些部位兩種分子才能充分接觸），并最終**地將剩余缺陷部位填充。

研究人員使用去年研發(fā)的一項(xiàng)技術(shù)，進(jìn)一步將石墨烯中那些細(xì)小且規(guī)則的孔洞蝕刻掉，這些孔洞小到能讓水分子通過(guò)，卻能將較大的污染物“拒之門(mén)外”的程度。實(shí)驗(yàn)中，他們測(cè)試了膜材對(duì)含一些大分子（包括鹽在內(nèi)）的水溶液的過(guò)濾效果，發(fā)現(xiàn)膜材能夠過(guò)濾掉90%的大分子，不過(guò)卻不能過(guò)濾掉鹽，并且鹽的透過(guò)速度比水還要快。

初步測(cè)試表明，盡管填充缺陷和控制滲透率的技術(shù)仍需進(jìn)一步改進(jìn)，但石墨烯依然會(huì)是現(xiàn)有過(guò)濾膜的可行的替代品。

Karnik表示：“如果這項(xiàng)技術(shù)研究成功，應(yīng)用前景將非常廣泛（特別是在海水淡化和納米過(guò)濾領(lǐng)域），影響會(huì)十分巨大；此外，該技術(shù)可能也將在精細(xì)化工和生物樣品處理等領(lǐng)域大展拳腳。這是對(duì)尺寸升級(jí)為厘米級(jí)別，并能進(jìn)行任何類(lèi)型分子過(guò)濾的石墨烯膜的**報(bào)道，這一進(jìn)展確實(shí)讓人興奮不已?！保茖W(xué)之家，譯審：Kong）
英文來(lái)源: http://phys.org/news/2015-05-leaky-graphene-technique-enable-faster.html