中國(guó)粉體網(wǎng)訊 傳統(tǒng)的透析膜較厚的聚合物層和蜿蜒曲折的內(nèi)部孔道使得其擴(kuò)散率和擴(kuò)散性都較低。來(lái)自麻省理工學(xué)院的科研人員報(bào)道了一種納米多孔原子薄膜（NATMs）的制備方法，制備出了選擇性孔隙小于1nm的石墨烯膜，其選擇分離和脫鹽的結(jié)果比最先進(jìn)的商業(yè)膜高1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，其快速擴(kuò)散和尺寸選擇性能能夠?yàn)樗幬飪艋⑷コ龤埩舻姆磻?yīng)物、生化分析等帶去了革命性的機(jī)會(huì)。相關(guān)成果《NanoporousAtomicallyThinGrapheneMembranesforDesaltingandDialysisApplications》發(fā)表于AdvancedMaterials雜志，通訊作者為MIT機(jī)械工程系的RohitKarnik副教授。DOI:10.1002/adma.201700277
滲析分離廣泛應(yīng)用于生化的整個(gè)行業(yè)中。在滲析中，樣本溶液和滲析液中間相隔著半滲透膜，小組分在濃度差下透過(guò)膜而大組分被攔截。傳統(tǒng)的滲析過(guò)程有兩個(gè)主要缺點(diǎn)：低擴(kuò)散率以及對(duì)于接近分子量截止范圍的選擇性低，尤其是在0-1000Da范圍內(nèi)。
分子跨膜滲析率和其厚度成反比，也取決于孔隙率和曲折度。理想的情況下，滲析膜能夠允許低于截止尺寸的溶質(zhì)快速通過(guò)，將大于截止尺寸的溶質(zhì)阻攔下來(lái)。膜對(duì)于運(yùn)輸?shù)淖枇κ怯脻B透性來(lái)表征的，比如說(shuō)每單元膜面積每驅(qū)動(dòng)力下的運(yùn)輸速率。兩種溶質(zhì)同時(shí)滲析時(shí)，即選擇性也是膜的一個(gè)重要特征。通常來(lái)說(shuō)，有一個(gè)選擇性和滲透性的權(quán)衡。
普遍意義上來(lái)說(shuō),透析是分子從一個(gè)溶液中利用濃度差通過(guò)膜擴(kuò)散到更稀的溶液中。除了應(yīng)用于血液透析中將廢物從血液中排除外,科學(xué)家還使用透析來(lái)凈化藥物、去除化學(xué)溶液中的殘?jiān)�、分離分子進(jìn)行醫(yī)學(xué)診斷等。材料通常是多孔膜。
現(xiàn)在的商業(yè)透析膜分離分子速度緩慢,部分原因是因?yàn)樗麄兊慕Y(jié)構(gòu):厚度較大,且膜通道中的孔蜿蜒曲折,使得目標(biāo)分子難以迅速通過(guò)。
現(xiàn)在麻省理工學(xué)院的工程師們已經(jīng)從一片石墨烯中制備出了一個(gè)功能性的透析膜——一個(gè)單層碳原子，像鐵絲織網(wǎng)一樣的六角形結(jié)構(gòu)環(huán)環(huán)相連。這個(gè)只有指甲蓋大小的石墨烯膜的厚度小于1納米(現(xiàn)有的最薄膜約20納米厚)。該膜能夠過(guò)濾出水溶液中的納米分子,比最先進(jìn)的膜還要快10倍,而比石墨烯本身要快100倍。
麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系的博士后(piranKidambi)表示,雖然石墨烯在電子學(xué)中的應(yīng)用已經(jīng)很大程度上被探索,但該研究小組的發(fā)現(xiàn)表明,石墨烯還可以用來(lái)改善膜技術(shù),尤其是實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的分離和潛在的血液透析過(guò)程。
"因?yàn)槭┖鼙?所以它的擴(kuò)散速度會(huì)非�？�,"Kidambi說(shuō)，"一個(gè)分子不需要在較厚膜的彎曲孔洞中來(lái)回折騰才能通過(guò)。能夠?qū)⑹┮氲缴锓蛛x的體系中是非常令人興奮的�！�
堵漏石墨烯
合成過(guò)程。用界面聚合來(lái)密封住轉(zhuǎn)移過(guò)程中的撕裂和缺陷
為了制造石墨烯膜,研究人員首先使用常用的化學(xué)氣相沉積技術(shù)（chemicalvapordeposition,CVD）在銅箔上生長(zhǎng)石墨烯。然后他們小心翼翼地蝕刻掉銅,并將石墨烯轉(zhuǎn)移到一張聚碳酸酯的支撐板上,上面布滿(mǎn)了足夠大的孔隙,可以穿透通過(guò)石墨烯的任何分子。聚碳酸酯起到了腳手架的作用,使超薄的石墨烯保持卷曲。
研究人員希望將石墨烯轉(zhuǎn)化為分子選擇性篩,只允許通過(guò)一定尺寸的分子。為了做到這一點(diǎn),他們通過(guò)將材料暴露在氧等離子體（oxygenplasma）中從而在材料上產(chǎn)生了微小的孔隙。氧等離子體是將氧氣泵入等離子體室,可以在任何材料上進(jìn)行蝕刻。
Kidambi說(shuō):"通過(guò)調(diào)節(jié)氧等離子體的條件，我們可以控制制備出的毛孔密度和大小，這種方法在石墨烯領(lǐng)域還是新奇（pristine）的方法。在這個(gè)過(guò)程中，氧自由基和石墨烯上的碳原子迅速反應(yīng),生成了二氧化碳并飛出。"
在石墨烯表面剩下的是的一個(gè)小洞,即碳原子的位置。Kidambi和他的同事發(fā)現(xiàn),在氧等離子體中暴露時(shí)間越長(zhǎng),毛孔就會(huì)越大越致密。相對(duì)較短的曝光時(shí)間，約45至60秒，會(huì)產(chǎn)生非常小的孔。
可取的缺陷
研究人員用多個(gè)不同孔尺寸和分布的石墨烯膜做了測(cè)試，將每個(gè)膜放在擴(kuò)散室的中間。他們?cè)谇皇业牧弦簜?cè)填充了含有不同分子大小混合物溶液，從氯化鉀(0.66納米寬)、維生素B12(1到1.5納米)、溶菌酶(4納米)和一種在在蛋清中發(fā)現(xiàn)的蛋白質(zhì)。腔室的另一側(cè)充滿(mǎn)了稀溶液。
然后,研究小組測(cè)量了分子在每個(gè)石墨烯膜上擴(kuò)散時(shí)的流動(dòng)。具有很小孔隙的膜可以通過(guò)氯化鉀,但如L-色氨酸的分子不能通過(guò)。具有較大孔的膜能夠讓相近的大分子通過(guò)。該研究小組用商業(yè)透析膜進(jìn)行了類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)。相比之下發(fā)現(xiàn)，石墨烯膜具有較高的滲透性。以10倍的速度過(guò)濾出理想的分子。
Kidambi指出,聚碳酸酯的支撐層孔是蝕刻而成，只占用了10%的表面積，這限制了最終通過(guò)兩層的理想分子的數(shù)量。"只有10%的膜的面積是可以達(dá)到的,但即使只有10%,我們還是可以做得比最先進(jìn)的膜的數(shù)據(jù)還好"，Kidambi說(shuō)。
為了使石墨烯膜更好,團(tuán)隊(duì)計(jì)劃通過(guò)蝕刻更多的孔來(lái)改善聚碳酸酯支撐體。
