石墨烯薄膜有望用來海水淡化需要進一步壓縮通道尺寸
2014-04-09 16:52:36
admin
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據青年時報網2014年3月21日訊 水，不論是對動物還是植物而言，都非常重要。沒有水，生命的延續會受到極大影響。隨著經濟發展和人口增加，我們對水的需求也越來越大，然而地球上的淡水資源非常有限，會不會有一天被消耗殆盡？
地球四分之三的面積被海洋所覆蓋，面對如此巨大的水資源儲量，科學家們也動過腦筋——因為濃度過高以及雜質不少，海水無法被直接利用。但在近日出版的《科學》雜志上，一課題組在氧化石墨烯薄膜快速篩選離子研究方面，取得了突破性進展，發現了其具有精密快速篩選離子的性能。這一成果有望在海水淡化領域獲得應用。
擁有精密快速的篩選功能
石墨烯是一種神奇的材料，有著一些獨特的特性，近幾年備受科學家青睞。比如它優良的導電性，讓人們在晶體管領域很看好它們。它幾乎完全透明，在太陽能電池或觸屏方面或許大有作為。不過，石墨烯與水之間有什么樣的相互作用，人們了解得并不透徹。據了解，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細通道，卻允許水的快速滲透。
*新合作研究表明，水環境中的氧化石墨烯薄膜在水合作用下，會形成約0.9納米寬的毛細通道，只有水合半徑小于或等于0.45納米的離子或分子才能通過，半徑大于0.45納米的離子或分子，則會被完全阻隔在另一側。這種篩選效應不僅對離子尺寸要求非常精準，而且比經典的濃度擴散快上千倍。
這一*新的研究成果，是由中國科學技術大學工程科學學院近代力學系材料力學行為和設計重點實驗室的吳恒安教授、王奉超博士，與英國曼徹斯特大學、2010年諾貝爾物理獎獲得者安德烈·海姆教授課題組合作完成的。
吳恒安教授告訴記者，他們在這項工作中作出的主要貢獻，是用理論分析和分子模擬，研究了石墨烯納米通道快速過濾離子的機理。計算機模擬工作表明，石墨烯與離子之間的相互作用，會使離子在納米通道中聚集，從而形成更高的濃度梯度。這一發現對實驗結果給出了合理解釋，也被稱為“離子海綿效應”。
或能應用于淡化海水
0.9納米的毛細通道到底有多細？吳恒安教授回答了記者的疑問。
“0.9nm的通道可以通過水和小離子，比如NaCl等，阻止更大的離子。”他表示，因此目前的氧化石墨烯薄膜，暫時還無法過濾掉海水中的鹽分。“目前的想法是采取特殊的辦法，進一步壓縮薄膜中的毛細通道尺寸，讓通道變窄，阻止NaCl通過，但這還只是一個設想。我們所做的這個工作，只是朝海水淡化邁進了一步。”
合作者之一伊琳娜·戈里古力娃博士表示，如果這一設想能夠實現，意味著制造一個在幾分鐘內，即可將一杯海水淡化成飲用水的過濾裝置，已不再只是科幻小說場景。
《科學》雜志也專門對這項研究成果進行了展望評述，認為這一發現能夠使得氧化石墨烯薄膜，在眾多分離應用中具有重要意義，例如在海水淡化與凈化、傳感技術及能源轉換等領域，具有廣闊的應用前景。
研究表明，水環境中的氧化石墨烯薄膜與水相互作用后，形成約0.9納米寬的毛細通道，允許直徑小于0.9納米的離子或分子快速通過，而直徑大于0.9納米的離子被完全阻隔。這一發現合理解釋了實驗結果，也被稱為“離子海綿效應”（《經濟日報》記者佘惠敏）