麻省理工学院研究人员从石墨烯氧化物中创造完美的纳米筒

电子显微镜图像显示了纳米筒的许多例子。插入在单个纳米筒中放大并揭示其锥形性质。

使用低频和高频超声技术，科学家们已经制造了由石墨烯氧化薄片制成的纳米曲。

未来的水过滤器可以由数十亿微小的基于石墨烯的纳米筒组成。通过卷起单个原子厚石墨烯制成的每个涡卷，可以根据其紧密缠绕的折叠捕获特异性分子和污染物来定制。数十亿这些滚动，堆叠层逐层，可以产生轻质，耐用的和高选择性的净水膜。

但是有一个陷阱：石墨烯不便宜。该材料的特殊机械和化学性质是由于其非常规则的六边形结构，类似于微观鸡丝。科学家使用昂贵且耗时的流程来保持石墨烯，以纯粹的无瑕疵的形式保持巨大的痛苦，并且严重限制石墨烯的实际用途。

来自麻省理工学院和哈佛大学的一支团队正在寻求石墨烯氧化物 - 石墨烯更便宜，不完美的形式。氧化石墨烯是石墨烯，其也覆盖着氧气和氢基团。如果它留下在露天空气中，材料基本上是石墨烯变成的。该团队制造了由石墨烯氧化薄片制成的纳米曲，并且能够使用低频和高频超声技术来控制每个纳米筒的尺寸。研究人员说，卷轴具有类似于石墨烯的机械性能，它们可以在成本的一小部分中进行。

“如果你真的想制作工程结构，那么在这一点上，使用石墨烯并不实用，”麻省理工学院机械工程系的研究生艾拉斯坦说。“石墨烯氧化物是两到四个数量级更便宜，并且随着我们的技术，我们可以调整这些架构的尺寸并打开一个窗口到行业。”

斯坦坦表示，除了水过滤器之外，石墨烯氧化物纳米筒也可用作超轻化学传感器，药物输送车辆和储氢平台。哈佛大学研究生Stein and Carlo Amadei发表了纳米级杂志的结果。

该草图显示了由于超声波照射而从石墨烯氧化薄片中形成纳米卷。

逃离皱巴巴的石墨烯

该团队的论文最初脱离了MIT类，2.675（Micro / Nano Engineering），由Rohit Karnik，机械工程副教授授予。作为他们最终项目的一部分，Stein和Amadei与石墨烯氧化物设计纳米筒子。作为哈佛大学的乍得常规实验室的成员，Amadei一直使用石墨烯氧化物进行水净化应用，而斯坦坦正在用碳纳米管和其他纳米尺度架构进行实验，作为由Brian Watchle，教授领导的群体的一部分麻省理工学院航空航天和航天。

研究人员的石墨烯纳米滚动研究起源于此麻省理工学院课程2.674和2.675（Micro / Nano Engineering Laboratory）。视频：机械工程系

“我们的最初的想法是使纳米曲尔用于分子吸附，”Amadei说。“与闭合结构的碳纳米管相比，纳米筒子是敞开的螺旋形，因此您拥有所有这些表面积可用于操纵。”

“你可以调整纳米筒子的层的分离，并用石墨烯氧化物进行各种整洁的东西，你不能真正用纳米管和石墨烯本身做的，”斯坦因子增加。

当他们在这个领域看到了以前已经完成的事情时，学生发现科学家从石墨烯成功生产了纳米筒子，尽管具有非常复杂的过程来保持材料纯净。几组尝试与石墨烯氧化物相同，但它们的尝试依字符下放气。

“文学中的哪个是更像皱巴巴的石墨烯，”斯坦德说。“你不能真正看到锥形性质。这并不清楚制作了什么。“

崩溃泡泡

斯坦坦和Amadei首先使用了一种常用的技术，称为悍马的方法将石墨薄片分离成石墨烯氧化物层。然后，它们将石墨烯薄片放入溶液中并刺激薄片以卷曲，以使用两种类似的方法：低频尖端声音器和高频定制反应器。

Tip-Sonicator是由压电材料制成的探头，当施加电压时，在低20Hz频率下摇晃。当放置在解决方案中时，尖端声音器会产生搅动周围环境的声波，在解决方案中产生气泡。

类似地，该组的反应器包含连接到电路的压电部件。与电压施加，与尖端超声波器相比，反应器摇晃 - 以较高的390Hz频率 - 在反应器内的溶液中产生气泡。

斯坦坦和Amadei将两种技术应用于石墨烯薄片的溶液和观察到类似的效果：在解决方案中创建的气泡最终折叠，释放导致薄片的能量自发地卷曲入卷轴。研究人员发现它们可以通过改变处理持续时间和超声波的频率来调谐卷轴的尺寸。较高的频率和更短的处理不会导致石墨烯薄片的显着损伤，并产生较大的卷轴，而低频和较长的处理时间往往劈开并产生较小的卷轴。

虽然本集团的初始实验变得相对较低的薄片 - 约10％ - 进入卷轴，但Stein表示，可以优化两种技术以产生更高的产量。如果他们可以被缩放，他说技术可以与现有的工业过程兼容，特别是用于水净化。

“如果你可以用大鳞片制作它，它可以廉价，你可以制作巨大的散装样品，并将它们扔进水中以去除各种污染物，”斯坦说。

通过国防科学和工程研究生（NDSEG）奖学金计划，部分支持这项工作得到了支持的支持。

出版物：Carlo A. Amadei等，“石墨烯纳米克罗尔的制造和形态调整，”纳米载体，2016,8,6783-6791; DOI：10.1039 / c5nr07983g