圖片來源： AlexanderAlUS/Wikipedia/CC BY-SA 3.0

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

石墨烯的獨特性能使其成為水過濾或海水淡化的理想材料。但在大規(guī)模應用前，還須克服一個缺點，即制備單原子層石墨烯薄膜是一個超精細的操作過程，很容易在制備過程中將材料結構破壞從而使成品存在結構缺陷，污染物會從這些缺陷部分滲漏。

目前，來自麻省理工學院（MIT）、橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge Natio nal Laboratory）、法赫德國王石油礦產大學（ King Fahd University of Petroleum and Minerals，KFUPM）的工程師們，將化學淀積和聚合技術結合起來，設計了一種可以修復這一缺陷的方案。然后團隊運用了一種先前已得到的方案，在材料中構建出細小卻規(guī)則的孔，孔徑大小僅允許水通過。

研究人員通過將化學淀積和聚合技術結合起來，可以制備出尺寸相對較大（一美分硬幣大?。┣覠o結構缺陷的石墨烯膜。膜材的尺寸大小至關重要：用作過濾膜時，成品的尺寸大小要能夠達到厘米范圍，或是更大。

實驗中，研究人員讓水透過經過他們雙重改良（修復+致孔）后的石墨烯膜，然后將其過濾效果與目前常用的海水淡化膜進行比較。結果發(fā)現(xiàn)，石墨烯膜能夠過濾掉大部分的大分子污染物（如硫酸鎂和葡聚糖）。

麻省理工學院機械工程學副教授Rohit Karnik說道：“至少在實驗室規(guī)模上，我們已經能夠修復石墨烯膜缺陷，要知道，之前石墨烯在宏觀領域的分子過濾是無法實現(xiàn)的。如果我們能進一步優(yōu)化制備流程，也許未來就不需要對缺陷進行修復了。但我個人認為不可能得到這種“**石墨烯”，污染物雜質滲漏的情況總會發(fā)生。雙重改良（修復+致孔）就是例子。

圖片說明：工程師們通過兩步法成功彌補石墨烯膜的結構缺陷。在進行操作前，首先將石墨烯材料附在銅表面（左上圖），該過程會使石墨烯材料產生內在缺陷（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），這一過程中會導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將鉿（圖中灰色部分）填充在裂縫中；然后通過界面聚合法（interfacial polymerization）用聚酰胺纖維將剩下的孔洞填補。圖片來源：MIT

極精細的轉移過程

O'Hern說道：“當前能夠將海水轉化為淡水的膜材尺寸較厚（有200個納米單位厚）。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）。這就使其用于過濾水時效率更高?！?

O'Hern和Karnik過去幾年一注致力于研究如何將石墨烯做成濾膜。2009年，團隊開始試著將石墨烯覆在銅（這種金屬支持石墨烯在其表面進行大范圍改性）表面制膜。不過，水無法透過金屬銅，所以之后需要將石墨烯轉移至多孔層上。

然而，O'Hern發(fā)現(xiàn)轉移過程會導致石墨烯出現(xiàn)裂紋。此外，在石墨烯生長過程中還會生成內在缺陷，這些都會影響膜材的過濾效果。

將石墨烯膜的孔洞“堵住”

為了解決上述問題，團隊想出了一種技術首先解決內在缺陷，然后解決轉移過程造成的缺陷。研究人員使用了一種叫做原子層沉積（atomic layer deposition）的技術解決內在缺陷，將石墨烯膜置于真空室中，然后通過震動將含鉿的化學物質（通常不會與石墨烯發(fā)生反應）添加至缺陷部位。不過如果化學物質接觸到了石墨烯的小開口，該部位較高的表面能會導致化學物質和開口粘合在一起。

經過了幾輪原子層沉積試驗，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缺陷中。不過O'Hern意識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）還需更多的時間。

他和他的同事們想出了第二種技術來解決更大的缺陷，選用了一種叫做界面聚合的方法（interfacial polymerization），該方法經常用于制備膜材。填充完石墨烯的內在缺陷之后，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，聚酰胺纖維就會生成并填充入裂紋和孔洞中（因為只有這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)的一項技術，進一步將石墨烯中那些細小且規(guī)則的孔洞蝕刻掉，這些孔洞小到能讓水分子通過，卻能將較大的污染物“拒之門外”的程度。實驗中，他們測試了膜材對含一些大分子（包括鹽在內）的水溶液的過濾效果，發(fā)現(xiàn)膜材能夠過濾掉90%的大分子，不過卻不能過濾掉鹽，并且鹽的透過速度比水還要快。

初步測試表明，盡管填充缺陷和控制滲透率的技術仍需進一步改進，但石墨烯依然會是現(xiàn)有過濾膜的可行的替代品。

Karnik表示：“如果這項技術研究成功，應用前景將非常廣泛（特別是在海水淡化和納米過濾領域），影響會十分巨大；此外，該技術可能也將在精細化工和生物樣品處理等領域大展拳腳。這是對尺寸升級為厘米級別，并能進行任何類型分子過濾的石墨烯膜的**報道，這一進展確實讓人興奮不已?！保茖W之家，譯審：Kong）
英文來源: http://phys.org/news/2015-05-leaky-graphene-technique-enable-faster.html