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速来围观:石墨烯也可制成透析膜啦!

时间:2017-10-30 15:43来源:Admin5 作者:秩名 点击:
 

    1)在铜箔上生长的石墨烯压在聚碳酸酯的支撑片上。(2)聚碳酸酯用于从铜上剥离石墨烯。(3)使用界面聚合,研究人员密封石墨烯中的大量裂缝和缺陷。(4)使用氧等离子体来蚀刻石墨烯中特定尺寸的孔。图片来源:麻省理工学院
 
  通常的意义上来讲,“透析”是分子通过膜扩散从一种溶液中过滤出,而成为更稀的溶液的过程。除了将血液中的废弃物除去的透析之外,科学家还利用透析来提纯药物,从化学溶液中除去残留物,同时还能隔离分子从而进行医学诊断,通常情况下是通过使材料通过多孔膜的方式进行的。
 
  现今的商业透析膜分离分子十分缓慢,部分原因是由于它们的组成所致:商业透析膜相对较厚,并且作为可以穿过这种致密膜的“孔”蜿蜒分布,因此靶分子难以快速通过商业透析膜。
 
  现在麻省理工学院的工程师已经从石墨烯片中制备出了一个功能性透析膜,石墨烯为一层单一的碳原子,以与铁丝网结构相似的六边形一样端对端连接。指甲尺寸大小的石墨烯薄膜,其厚度小于1纳米。(最薄的现有薄膜约为20纳米厚)。该团队制备的的膜能够从水溶液中过滤掉纳米级分子,这比现今最先进的膜的过滤速度快10倍,而石墨烯本身更是能达100倍。
 
  尽管石墨烯在电子学领域的应用已被大量探索,但是,麻省理工学院机械工程系博士后PiranKidambi表示:该研究小组的研究结果表明,石墨烯可以改善膜技术,特别是对于实验室规模的分离过程、以及潜在的血液透析等应用领域。
 
  Kidambi说“正是因为石墨烯非常之薄,所以分子扩散就会非常快。在分离到另一面之前,一个分子不必经过一个厚膜上曲折的毛细孔。将石墨烯引入到这种生物分离方法中是非常有发展前景。”
 
  PiranKidambi是今天在AdvancedMaterials发表的这项研究报告的主要作者。另外来自麻省理工学院的六位合著者包括机械工程副教授RohitKarnik和电气工程副教授JingKong。
 
  制备石墨烯孔隙
 
  为了制造石墨烯膜,研究人员首先使用了一种常用的化学气相沉积技术,即在铜箔上生长石墨烯。然后,他们小心的地蚀刻掉铜并将石墨烯转移到聚碳酸酯的支撑片上,其中到处分散有足够大的孔,使得已经通过石墨烯的任何分子均可穿过。之所以选聚碳酸酯作为支架,是为了防止超薄石墨烯自身卷曲。
 
  研究人员将石墨烯转化为只能通过一定大小分子的分子选择性筛。为了做到这一点,他们将上述结构暴露于氧等离子体而在材料中产生微小的孔隙,这一过程是通过将氧气泵入等离子体室内来蚀刻材料。
 
  PiranKidambi说:“通过调整氧等离子体条件,在石墨烯原始的区域我们可以控制所生产的石墨烯膜的毛孔密度和大小。其中的反应为:氧自由基接触到石墨烯中的碳原子并迅速反应,且都以二氧化碳的形式飞出。”
 
  最后在石墨烯中某个碳原子曾经待过的位置会产生一个小洞。PiranKidambi和他的同事发现:石墨烯暴露于氧等离子体中的时间越长,其形成的孔隙就会越大而且致密。相对较短的曝光时间,如45~60秒,就会产生非常小的孔。
 
  人为制造理想的缺陷
 
  研究人员测试了具有不同大小和分布孔的多个石墨烯膜,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,从氯化钾(0.66纳米宽)到维生素B12(1-1.5纳米)和蛋清中发现的蛋白质--溶菌酶(4纳米)来填充腔室的加料侧。腔室的另一侧装满稀释溶液。
 
  然后,团队在分子通过每个石墨烯膜扩散时测量分子的流动。
 
  具有非常小孔的膜仅能通过氯化钾,而更大的分子,如仅仅0.2纳米宽L-色氨酸则不能通过。具有较大孔隙的膜则可以通过相对较大的分子。
 
  该科研团队将此石墨烯膜与商业透析膜进行了类似的实验,通过实验结果发现,石墨烯膜能够以更高的“渗透性”进行,比期望的分子过滤速度快了近10倍。
 
  PiranKidambi指出,聚碳酸酯支持体被孔隙蚀刻,孔隙仅占其表面积的10%,这限制了最终通过两层的分子数量。
 
  PiranKidambi说:“虽然石墨烯膜的面积只有10%可以使用,但即使是10%,我们也可以确保其比目前最先进的膜效率更高。”
 
  为了使石墨烯膜更好,该团队计划通过将更多的孔蚀刻到材料中来提高聚碳酸酯支撑性,以增加膜的总体磁导率。他们还在努力进一步扩大膜的尺寸,目前尺寸为1平方厘米。进一步调整氧等离子体工艺以创建定制的孔隙,也将进一步提高膜的性能。PiranKidambi指出其对于电子应用中的石墨烯来讲,这将产生非常不同的结果。
 
  PiranKidambi说:“令人兴奋的是,对电子领域不好的却在[膜透析]领域成为优点。在电子学方面,您希望最大限度地减少缺陷,在透析方面,您想要制造出合适尺寸的缺陷。它展示了技术的最终用途决定您想从技术中所获得的,这就是关键。