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结构纳米-介紹了用石墨烯等材料開發出的一種超薄、高強度薄膜

【毕福剑女儿近照】

中美兩國科研人員在新一期美國《科學》雜誌上發表論文,介紹了用石墨烯等材料開發出的一種超薄、高強度薄膜,它可高效分離水中的鹽離子和有機污染物,有望用於水凈化、化工原料分離純化等領域。

中國武漢大學袁荃團隊和美國加利福尼亞大學洛杉磯分校段鑲鋒團隊合作,將具有優異機械性能和多孔結構的碳納米管薄膜作為石墨烯薄膜的機械支撐層,從而將石墨烯薄膜分割成多個微區域,形成類似於建築“水立方”錶面、樹葉或昆蟲翅膀的結構。

據介紹,像石墨烯這樣只有一層原子厚的二維材料,是構建超薄納濾膜的理想材料,但單獨的石墨烯薄膜會受破裂等問題影響,因此相關研究中一直存在如何實現優異機械強度和大面積無裂縫製備的難題。

研究顯示,這種被稱為“石墨烯納米篩/碳納米管複合薄膜”的材料,孔徑尺寸約0.6納米,大於水分子的尺寸(約0.3納米),但小於一些金屬鹽離子的尺寸(水合鈉離子尺寸約0.7納米),因此可將水分子和鹽離子有效分離,對鈉、鉀和鎂等金屬鹽離子的截留率可達85%以上,對水溶液中的有機污染物分子截留率高達99%。

這種薄膜的滲透率高,1平方釐米薄膜在一定壓力下每分鐘可產出1毫升純凈水,是一些傳統類似薄膜的10倍到100倍。它的機械性能也很好,在彎曲形變下仍可保持結構完整性、水滲透率等特點。

論文第一作者、武漢大學研究人員楊雁冰說,該研究剋服了二維材料在分離領域實際應用的局限性,開啟了一扇通往高效選擇性分離的大門。

論文通訊作者袁荃對新華社記者說,當石墨烯薄膜內部存在缺陷、裂縫或者石墨烯薄膜受到外部破壞時,碳納米管網絡結構可以阻礙缺陷延伸和擴大,將缺陷局限在一個小範圍內。