石墨烯薄膜有望用来海水淡化需要进一步压缩通道尺寸
2014-04-09 16:52:36
admin
450
据青年时报网2014年3月21日讯 水，不论是对动物还是植物而言，都非常重要。没有水，生命的延续会受到极大影响。随着经济发展和人口增加，我们对水的需求也越来越大，然而地球上的淡水资源非常有限，会不会有一天被消耗殆尽？
地球四分之三的面积被海洋所覆盖，面对如此巨大的水资源储量，科学家们也动过脑筋——因为浓度过高以及杂质不少，海水无法被直接利用。但在近日出版的《科学》杂志上，一课题组在氧化石墨烯薄膜快速筛选离子研究方面，取得了突破性进展，发现了其具有精密快速筛选离子的性能。这一成果有望在海水淡化领域获得应用。
拥有精密快速的筛选功能
石墨烯是一种神奇的材料，有着一些独特的特性，近几年备受科学家青睐。比如它优良的导电性，让人们在晶体管领域很看好它们。它几乎完全透明，在太阳能电池或触屏方面或许大有作为。不过，石墨烯与水之间有什么样的相互作用，人们了解得并不透彻。据了解，石墨烯表面是排斥水的，但浸入到水中的石墨烯薄膜里的毛细通道，却允许水的快速渗透。
*新合作研究表明，水环境中的氧化石墨烯薄膜在水合作用下，会形成约0.9纳米宽的毛细通道，只有水合半径小于或等于0.45纳米的离子或分子才能通过，半径大于0.45纳米的离子或分子，则会被完全阻隔在另一侧。这种筛选效应不仅对离子尺寸要求非常精准，而且比经典的浓度扩散快上千倍。
这一*新的研究成果，是由中国科学技术大学工程科学学院近代力学系材料力学行为和设计重点实验室的吴恒安教授、王奉超博士，与英国曼彻斯特大学、2010年诺贝尔物理奖获得者安德烈·海姆教授课题组合作完成的。
吴恒安教授告诉记者，他们在这项工作中作出的主要贡献，是用理论分析和分子模拟，研究了石墨烯纳米通道快速过滤离子的机理。计算机模拟工作表明，石墨烯与离子之间的相互作用，会使离子在纳米通道中聚集，从而形成更高的浓度梯度。这一发现对实验结果给出了合理解释，也被称为“离子海绵效应”。
或能应用于淡化海水
0.9纳米的毛细通道到底有多细？吴恒安教授回答了记者的疑问。
“0.9nm的通道可以通过水和小离子，比如NaCl等，阻止更大的离子。”他表示，因此目前的氧化石墨烯薄膜，暂时还无法过滤掉海水中的盐分。“目前的想法是采取特殊的办法，进一步压缩薄膜中的毛细通道尺寸，让通道变窄，阻止NaCl通过，但这还只是一个设想。我们所做的这个工作，只是朝海水淡化迈进了一步。”
合作者之一伊琳娜·戈里古力娃博士表示，如果这一设想能够实现，意味着制造一个在几分钟内，即可将一杯海水淡化成饮用水的过滤装置，已不再只是科幻小说场景。
《科学》杂志也专门对这项研究成果进行了展望评述，认为这一发现能够使得氧化石墨烯薄膜，在众多分离应用中具有重要意义，例如在海水淡化与净化、传感技术及能源转换等领域，具有广阔的应用前景。
研究表明，水环境中的氧化石墨烯薄膜与水相互作用后，形成约0.9纳米宽的毛细通道，允许直径小于0.9纳米的离子或分子快速通过，而直径大于0.9纳米的离子被完全阻隔。这一发现合理解释了实验结果，也被称为“离子海绵效应”（《经济日报》记者佘惠敏）