氧化石墨烯薄膜在水中離子篩選效應(yīng)研究取得重要進(jìn)展
2014-04-09 16:52:21
admin
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據(jù)中國(guó)科大新聞網(wǎng)2014年3月12日訊 近日，我校工程科學(xué)學(xué)院近代力學(xué)系材料力學(xué)行為和設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的吳恒安教授和王奉超博士與英國(guó)曼徹斯特大學(xué)安德烈·海姆（Andre Geim，2010年諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者）教授課題組合作，在氧化石墨烯薄膜快速篩選離子研究方面取得了突破性進(jìn)展。研究成果以 “Precise and Ultrafast Molecular Sieving Through Graphene Oxide Membranes” 為標(biāo)題刊登在2月14日出版的國(guó)際著名期刊Science上（Science, 343 (6172): 752-754, 2014）。同期Science專門(mén)對(duì)此研究成果進(jìn)行了展望評(píng)述（Science, 343 (6172): 740-742, 2014）。
石墨烯以其獨(dú)特的力學(xué)和電學(xué)特性被稱為“神奇材料”（wonder material）。然而，石墨烯與水之間的相互作用機(jī)理卻并不為人們所熟知。石墨烯表面是疏水的，但浸入到水中的石墨烯薄膜里的毛細(xì)通道卻允許水的快速滲透。此前，吳恒安教授曾在英國(guó)曼徹斯特大學(xué)做訪問(wèn)學(xué)者，針對(duì)氧化石墨烯薄膜獨(dú)特的隔氣透水性質(zhì)與實(shí)驗(yàn)科學(xué)家們一起開(kāi)展了合作研究，研究成果刊于2012年1月27日出版的Science上（Science, 335 (6067): 442-444, 2012）。
*新研究表明，水環(huán)境中的氧化石墨烯薄膜在水合作用下會(huì)形成約0.9納米寬的毛細(xì)通道，可以阻止水合半徑大于0.45納米的離子或分子通過(guò)。該篩選效應(yīng)不僅對(duì)離子尺寸要求非常精準(zhǔn)，而且要比經(jīng)典的濃度擴(kuò)散快上千倍。這些發(fā)現(xiàn)在海水淡化與凈化、傳感技術(shù)以及能源轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。合作者之一Irina Grigorieva博士表示，此研究成果意味著制造一個(gè)在幾分鐘內(nèi)即可將一杯海水淡化成飲用水的過(guò)濾裝置，已不再只是科幻小說(shuō)場(chǎng)景。
吳恒安教授課題組在該項(xiàng)工作中做出的主要貢獻(xiàn)是用理論分析和分子模擬研究了石墨烯納米通道快速過(guò)濾離子的機(jī)理。他們的計(jì)算機(jī)模擬工作表明，石墨烯與離子之間的相互作用使離子在納米通道中聚集，從而形成了更高的濃度梯度。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出了合理的解釋，也被稱為“離子海綿（ion sponging）效應(yīng)”。
這項(xiàng)合作研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。