能夠承受高壓的石墨烯薄膜

單片石墨烯由單原子厚的碳點(diǎn)陣構(gòu)成，看起來似乎相當(dāng)脆弱。但麻省理工學(xué)院的工程師們發(fā)現(xiàn)，這種超薄材料其實(shí)非常堅(jiān)固，在至少100巴（注：1巴=100000帕）的壓力下仍能保持完好。這么高的壓力大概是普通廚房水龍頭所產(chǎn)生壓力的20倍左右。

研究人員發(fā)現(xiàn)，耐受如此高壓的關(guān)鍵是將石墨烯與薄的底層基底良好結(jié)合，并且該基底需要布滿微小的孔或孔隙。襯底的孔隙越小，石墨烯在高壓下的彈性就越高。

圖片所示：在左側(cè)，原子力顯微鏡圖像在100巴的突發(fā)測試之后顯示納米孔石墨烯膜。 該圖像顯示失敗的微膜（黑色黑色區(qū)域）與石墨烯中的皺紋對齊。 在右側(cè)，石墨烯膜的兩個放大的掃描電子顯微鏡圖像顯示在壓力差為30巴的爆破試驗(yàn)之前（上）和之后。 圖像說明，膜衰竭與沿著皺紋的內(nèi)在缺陷相關(guān)。

由研究人員提供

麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系副教授Rohit Karnik表示，該團(tuán)隊(duì)的成果如今已在Nano Letters雜志上發(fā)表。并且此文可作為一篇設(shè)計(jì)指南，可幫助研究者設(shè)計(jì)出一種堅(jiān)韌的石墨烯薄膜。這種薄膜特別適用于海水淡化等應(yīng)用領(lǐng)域，其中所用到的過濾膜就是要承受高壓流動，才能有效地去除海水中的鹽分。

卡尼克（Karnik）說：“我們在文中表示，石墨烯有可能推動高壓膜分離技術(shù)向前發(fā)展。如果可以促進(jìn)石墨烯膜在高壓下脫鹽，那么在高鹽度條件下就能夠開發(fā)出許多有趣的可再生能源來。

除了卡尼克，論文作者還有：王培達(dá)（首席作者，麻省理工學(xué)院博士后）、前本科生克里斯托弗?威廉姆斯、前研究生邁克爾?布蒂利耶、以及皮蘭?比迪比博士。

水壓

如今，現(xiàn)有的過濾膜基本都是通過反滲透作用來將水脫鹽。這種方法是通過在膜的含有鹽水的那一側(cè)施加壓力，以促使純水透過薄膜，同時阻擋鹽和其它分子通過。

目前，許多商業(yè)膜是在約50至80巴的壓力下對水進(jìn)行脫鹽，如果高于此壓力，這些薄膜就有可能被破壞。假如膜能夠承受100巴或更高的壓力，那它們將能回收更多的淡水，從而實(shí)現(xiàn)更有效的海水淡化。另外，高壓膜也能凈化含鹽極多的水，例如制鹽后的剩余鹽水，但對于普通膜而言，往往因其濃度太高而不能促使水分自發(fā)地通過過濾膜。

卡尼克說：“很明顯，在任何時候，對水資源通過施壓進(jìn)行凈化的方法不會被遺棄，因?yàn)楹Ｋ堑闹饕獊碓?，反滲透是水資源方面最為有效的脫鹽方法。如果這種膜可以在更高的壓力下運(yùn)行，那么在高能量效率下有更高的水回收率也將會成為可能。”

增大壓力

卡尼克和他的同事們設(shè)計(jì)了一個實(shí)驗(yàn)，以觀察他們到底能夠施加多大的壓力給石墨烯。先前的模擬預(yù)測是：放置在多孔載體上的石墨烯可以在高壓下保持完好。然而迄今為止，沒有直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)證明這些預(yù)測是成立的。

研究人員采用化學(xué)氣相沉積法（CVD）制備了石墨烯膜，然后將單層石墨烯膜放置在多孔的聚碳酸酯薄片上。每個片材設(shè)計(jì)有特定尺寸的小孔，這些小孔的直徑在30納米至3微米之間。

為了測量石墨烯的堅(jiān)固程度，研究人員把測試對象集中在他們所謂的“微膜”上——懸浮在底層基底毛孔上的石墨烯區(qū)域，類似于瑞士奶酪孔上的細(xì)絲網(wǎng)。

該團(tuán)隊(duì)將“石墨烯—聚碳酸酯膜”放置在反應(yīng)箱中間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并使用壓力調(diào)節(jié)器來控制氣體的壓力和流速。研究人員還測量了腔室下半部分的氣體流量，并推測，下半部分氣體流量的任何增加都將表明，該部分石墨烯膜因上半部分產(chǎn)生的壓力而失效或“爆裂”。

實(shí)驗(yàn)中他們發(fā)現(xiàn)，放置在孔隙為200納米或更小孔隙的基體上的石墨烯，可耐受100巴的壓力——這幾乎是脫鹽時所用到的壓力的兩倍。另外，研究人員觀察到，隨著底層孔尺寸的減小，保持完整的微膜數(shù)量在增加?？峥苏f，這種孔徑對于確定石墨烯的堅(jiān)固度至關(guān)重要。

卡尼克還解釋說：“石墨烯就像一座懸索橋，所施加的壓力就像站在橋上的人。如果短橋上可以站五個人，那么這個重量或壓力就剛剛好。但是，如果用相同繩索制造更長的橋，那么它就要經(jīng)受更多的壓力，因?yàn)閷懈嗟娜苏驹谒厦??！?/p>

多孔設(shè)計(jì)

論文的首席作者Luda Wang說：“我們向大家展示了一種可以承受高壓的石墨烯，但是還有其他方面需要進(jìn)一步研究，比如它可以脫鹽嗎？”

換句話說，石墨烯能否耐受高壓，同時選擇性地從海水中過濾水？作為回答此問題的第一步，該團(tuán)隊(duì)制造了納米級多孔石墨烯，用它來制作出一個非常簡單的石墨烯過濾器。研究人員使用他們以前開發(fā)的一種技術(shù)，在石墨烯片上蝕刻出納米級尺寸的微孔，然后他們將這些石墨烯片放置于高壓中。

通常，他們發(fā)現(xiàn)石墨烯中的“皺紋”與微膠囊是否爆裂有關(guān)，與施加的壓力無關(guān)。即使在壓力低至30巴的情況下，多孔石墨烯的部分折痕也會失效或爆裂，而那些沒有“皺紋”的石墨烯在高達(dá)100巴的壓力下卻保持不變。另外，即使在起皺區(qū)域，底層基底的孔越小，多孔石墨烯中的微薄膜也越有可能保存下來。

卡尼克說：“總的來說，這項(xiàng)研究告訴我們，單層石墨烯具有承受極高壓力的潛力，100巴不是極限——只要石墨烯所在的孔徑足夠小，就有可能突破?？傊覀兊难芯繛槿绾卧O(shè)計(jì)石墨烯膜以及在多大的壓力范圍內(nèi)使用提供了參考?！?/p>

加州大學(xué)伯克利分校土木與環(huán)境工程學(xué)院的助理教授Baoxa Mi表示，石墨烯是世界上公認(rèn)的最強(qiáng)的材料之一。而迄今為止，多孔石墨烯是否具有相似的強(qiáng)度仍未確定。

Mi沒有參與研究，但他說：“這項(xiàng)研究絕對保證了石墨烯在過濾、化學(xué)、藥物分離、水凈化和海水淡化領(lǐng)域中的潛在應(yīng)用。但是，要真正實(shí)現(xiàn)這些還需要克服更多的挑戰(zhàn)，例如在石墨烯上如何形成小而均勻的微孔，并能夠長大。如果能成功，那么這項(xiàng)技術(shù)將會改變海水淡化的方法?！?/p>