科学家生产用于透析的石墨烯膜

1）将生长在铜箔上的石墨烯压在聚碳酸酯支撑板上。2）聚碳酸酯起到将石墨烯从铜上剥离的作用。3）使用界面聚合，研究人员可以密封石墨烯中的大裂缝和缺陷。4）接下来，他们使用氧等离子体蚀刻石墨烯中特定尺寸的孔。

麻省理工学院的研究人员使用石墨烯开发了一种渗析膜材料，该膜可以以商业化膜的滤膜速度的10到100倍过滤纳米尺寸的分子。

从最一般的意义上讲，透析是分子扩散通过膜进入更稀溶液中的一种方法，分子将从其中一种溶液中滤出。除了从血液中清除废物的血液透析之外，科学家通常使用透析使药物穿过多孔膜，从而通过透析来纯化药物，从化学溶液中清除残留物并分离分子进行医学诊断。

当今的商业透析膜可以缓慢地分离分子，部分原因是它们的组成：它们相对较厚，并且穿过这种致密膜的孔道在缠绕路径中确实如此，从而使目标分子难以快速通过。

现在，麻省理工学院的工程师们已经用一片石墨烯制成了一种功能性渗析膜，该石墨烯是一层碳原子，以六边形的结构首尾相连，就像铁丝网一样。大约只有指甲大小的石墨烯膜不到1纳米厚。（现有最薄的膜约为20纳米厚。）该团队的膜能够从水溶液中过滤出纳米尺寸的分子，其速度是最先进的膜的10倍，而石墨烯本身的速度则高达100倍。

尽管石墨烯已经在电子领域得到广泛应用，但麻省理工学院机械工程系的博士后皮兰·基丹比（Piran Kidambi）表示，研究小组的发现表明，石墨烯可以改善膜技术，特别是在实验室规模的分离工艺和血液透析方面。

Kidambi说：“由于石墨烯太薄，在石墨烯上的扩散将非常快。”“一个分子不必做繁琐的工作即可在离开另一侧之前穿过厚膜中的所有这些曲折的孔。将石墨烯引入这种生物分离机制非常令人兴奋。”

Kidambi是一项报告该技术的研究的主要作者，该研究今天发表在《高级材料》上。麻省理工学院有六位合著者，其中包括机械工程副教授Rohit Karnik和电气工程副教授Jing Kong。

堵塞石墨烯

为了制造石墨烯膜，研究人员首先使用一种称为化学气相沉积的通用技术在铜箔上生长石墨烯。然后，他们仔细地蚀刻掉了铜，然后将石墨烯转移到聚碳酸酯的支撑板上，该支撑板上散布着足够大的孔隙，可以让任何穿过石墨烯的分子通过。聚碳酸酯用作支架，可防止超薄石墨烯自身卷曲。

研究人员试图将石墨烯变成分子选择性筛子，仅让一定大小的分子通过。为此，他们通过将结构暴露于氧等离子体中，从而在材料中形成了微小的孔，通过该过程，泵入等离子体室的氧可以腐蚀掉材料。

Kidambi说：“通过调节氧等离子体的条件，我们可以控制石墨烯原始区域的孔的密度和大小。”“发生的是，一个氧自由基到达（石墨烯中的）碳原子并迅速反应，它们都以二氧化碳的形式飞出。”

剩下的是石墨烯中的一个小孔，曾经有一个碳原子存在。Kidambi和他的同事发现，石墨烯暴露于氧等离子体中的时间越长，孔的尺寸越大，密度越大。相对短的曝光时间（约45至60秒）会产生非常小的毛孔。

理想的缺陷

研究人员测试了具有不同大小和分布的孔的多个石墨烯膜，并将每个膜放置在扩散室的中间。他们用含有不同大小分子的各种混合物的溶液充满了处理室的进料端，这些溶液的混合物范围从氯化钾（0.66纳米宽）到维生素B12（1至1.5纳米）和溶菌酶（4纳米），一种蛋清中的蛋白质。腔室的另一侧充满了稀溶液。

然后，研究小组测量了分子在每个石墨烯膜中扩散时的流动。

具有很小孔的膜可以透过氯化钾，但不能透过较大的分子，例如L-色氨酸，后者的宽度仅为0.2纳米。具有较大孔的膜使相应的较大分子通过。

该团队对商用透析膜进行了类似的实验，发现相比之下，石墨烯膜的“渗透率”更高，过滤出所需分子的速度最高可快10倍。

Kidambi指出，聚碳酸酯载体的蚀刻孔仅占其表面积的10％，这限制了最终穿过两层的所需分子的数量。

Kidambi说：“只有10％的膜区域是可及的，但即使有10％的膜，我们也能做得比最新技术更好。”

为了使石墨烯膜更好，该团队计划通过在材料中蚀刻更多的孔来提高膜的总体渗透性，从而改善聚碳酸酯的支撑性。他们还致力于进一步扩大目前尺寸为1平方厘米的膜的尺寸。进一步调整氧等离子体的过程以产生定制的孔也将改善膜的性能-Kidambi指出，这将对电子应用中的石墨烯产生截然不同的后果。

Kidambi说：“令人兴奋的是，对于电子领域来说，不好的东西实际上在[膜透析]领域是完美的。”“在电子产品中，您希望最大程度地减少缺陷。在这里，您要制作适当尺寸的缺陷。它表明了技术的最终用途决定了您对技术的需求。那是关键。”

这项研究得到了美国能源部和林德曼信托基金的部分支持。

出版物：Piran R. Kidambi等人，“用于脱盐和透析应用的纳米多孔原子薄石墨烯膜”，《先进材料》，2017年； DOI：10.1002 / adma.201700277