制備(bei)優質的(de)(de)石墨烯(xi)(xi)材料如同編織布匹，科研人員(yuan)要(yao)在這種由六角形蜂窩狀排列的(de)(de)碳原子組成的(de)(de)單(dan)原子薄膜(mo)上“精工細(xi)作(zuo)”，同時還要(yao)保證(zheng)高(gao)質量實(shi)屬不(bu)易。石墨烯(xi)(xi)的(de)(de)優異性(xing)能源于其(qi)完(wan)美(mei)的(de)(de)結構，一旦結構遭到破壞，哪怕是非常小的(de)(de)破壞，也(ye)會導致其(qi)各(ge)項性(xing)能大幅(fu)下降。因此，有缺(que)陷的(de)(de)石墨烯(xi)(xi)很難用于制備(bei)晶(jing)體(ti)管等高(gao)端精密產(chan)品。但如“粗布破絮”般(ban)不(bu)完(wan)美(mei)的(de)(de)石墨烯(xi)(xi)在去污環(huan)保、凈(jing)化環(huan)境等方(fang)面，卻蘊含著極大的(de)(de)潛力。

不再擔憂石油泄漏

提及(ji)2010年美國墨西哥灣原油泄漏事件，恐怕現在還(huan)令人心(xin)有余悸(ji)。當時(shi)讓人頭疼又(you)無奈(nai)的(de)是，海水油污(wu)清除作業效果(guo)不佳，遏制不了漏油對海洋(yang)生態(tai)造成(cheng)的(de)危害(hai)。

兩年后，國際著(zhu)名期刊《先(xian)(xian)進(jin)(jin)材(cai)料(liao)(liao)》和(he)《先(xian)(xian)進(jin)(jin)功(gong)能材(cai)料(liao)(liao)》先(xian)(xian)后報道(dao)了一(yi)(yi)種具有超高(gao)效吸(xi)附特性的(de)石墨(mo)烯基吸(xi)附材(cai)料(liao)(liao)。該材(cai)料(liao)(liao)可用于清理海上原(yuan)油泄(xie)漏、化學品污(wu)染(ran)，所吸(xi)附污(wu)染(ran)物最(zui)高(gao)可達其自(zi)身質量(liang)的(de)800多倍，并且(qie)可循環(huan)使用20多次。美國在線等媒體認為，這種石墨(mo)烯海綿結構有可能成為石墨(mo)烯的(de)第一(yi)(yi)種產業(ye)化應用，在化工和(he)環(huan)保(bao)方面具有巨大應用前(qian)景。

科技(ji)日報記(ji)者采訪了這項(xiang)研究的(de)帶頭人、東南大(da)學(xue)—FEI納皮米示(shi)(shi)范中心主任孫立濤(tao)教授。他(ta)表(biao)示(shi)(shi)，他(ta)們專門使(shi)用(yong)(yong)破絮般的(de)石墨(mo)(mo)(mo)烯(xi)(xi)材料做(zuo)成(cheng)多孔(kong)的(de)海(hai)綿(mian)(mian)(mian)狀結(jie)構，通(tong)過(guo)多種方(fang)法實現(xian)其(qi)微(wei)觀結(jie)構的(de)調控(kong)，以(yi)此(ci)來優(you)化石墨(mo)(mo)(mo)烯(xi)(xi)海(hai)綿(mian)(mian)(mian)的(de)吸(xi)(xi)附性能和力(li)學(xue)性能。經研究，他(ta)們首次發現(xian)石墨(mo)(mo)(mo)烯(xi)(xi)海(hai)綿(mian)(mian)(mian)具(ju)有超高(gao)效(xiao)吸(xi)(xi)附特(te)性，并將其(qi)不吸(xi)(xi)水(shui)(shui)卻可以(yi)吸(xi)(xi)附油(you)(you)等(deng)有機物的(de)特(te)性，成(cheng)功用(yong)(yong)于快速清除海(hai)上漏油(you)(you)，實現(xian)了油(you)(you)水(shui)(shui)高(gao)效(xiao)分離。另外，將石墨(mo)(mo)(mo)烯(xi)(xi)與商用(yong)(yong)海(hai)綿(mian)(mian)(mian)牢固結(jie)合(he)，可得到具(ju)有較(jiao)強(qiang)機械強(qiang)度的(de)石墨(mo)(mo)(mo)烯(xi)(xi)基復(fu)合(he)海(hai)綿(mian)(mian)(mian)。該海(hai)綿(mian)(mian)(mian)與負(fu)壓系(xi)統結(jie)合(he)，可實現(xian)連續(xu)油(you)(you)水(shui)(shui)分離，大(da)大(da)提高(gao)分離效(xiao)率(lv)，降低使(shi)用(yong)(yong)成(cheng)本。

由殘(can)缺石墨烯片組(zu)裝(zhuang)而成的石墨烯海(hai)綿容納(na)空間大，孔(kong)隙率(lv)高，整個海(hai)綿里石墨烯材(cai)料只占(zhan)不(bu)到1%的體積，而且(qie)可以回收利用(yong)。為(wei)進一步(bu)降低材(cai)料成本，他們還以廢(fei)(fei)棉花(hua)或(huo)廢(fei)(fei)紙作為(wei)前軀體，制(zhi)備出了碳(tan)氣凝膠。經測試(shi)，其對各種有(you)機液體的吸附及循環使用(yong)效果都不(bu)錯，并已實現試(shi)生產。

讓海水快速變淡水

石(shi)墨烯(xi)(xi)以獨特的力(li)學(xue)和電學(xue)特性被稱為“神奇材料”，但(dan)其與水(shui)的相互作用卻讓人(ren)困(kun)惑：石(shi)墨烯(xi)(xi)表面排斥水(shui)，但(dan)浸入到水(shui)中的石(shi)墨烯(xi)(xi)薄膜毛細(xi)通道，卻允許水(shui)快速(su)滲透。石(shi)墨烯(xi)(xi)與水(shui)之間(jian)的這(zhe)種“若即(ji)若離”的關系令科學(xue)家(jia)著迷。

英國曼徹斯特(te)大(da)(da)學與(yu)中(zhong)國科學技(ji)術大(da)(da)學的(de)(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)團隊合作，用(yong)理(li)論分(fen)析和(he)分(fen)子模(mo)擬(ni)的(de)(de)(de)(de)方法探尋(xun)其中(zhong)機理(li)，發(fa)現水(shui)環(huan)境(jing)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)氧(yang)化(hua)石墨烯薄(bo)膜與(yu)水(shui)親密接觸后，可(ke)形成(cheng)約(yue)0.9納米寬的(de)(de)(de)(de)通(tong)道，小于這一(yi)尺寸(cun)的(de)(de)(de)(de)離子或分(fen)子可(ke)以快(kuai)速(su)通(tong)過，而“大(da)(da)個頭”則被(bei)完(wan)全阻(zu)隔在外(wai)。該(gai)篩選效應不(bu)僅(jin)對離子尺寸(cun)要求非常精準，而且比傳統的(de)(de)(de)(de)濃度擴散快(kuai)上千倍(bei)。這一(yi)發(fa)現合理(li)解(jie)釋了(le)實驗結果，也被(bei)稱為“離子海(hai)綿效應”。

用計算機模擬(ni)石墨烯納米通道(dao)快速(su)(su)過(guo)(guo)濾離(li)子的(de)過(guo)(guo)程發現，石墨烯與離(li)子之(zhi)間(jian)的(de)相互作用，使(shi)離(li)子在納米通道(dao)中聚集，從而(er)促(cu)進(jin)(jin)了離(li)子的(de)快速(su)(su)擴(kuo)散。如果(guo)通過(guo)(guo)機械手(shou)段進(jin)(jin)一(yi)步壓(ya)縮石墨烯薄膜中的(de)毛(mao)細通道(dao)尺寸，控制孔徑大小(xiao)，將能高效過(guo)(guo)濾海水中的(de)鹽分。這(zhe)意味(wei)著，制造一(yi)個幾分鐘內將一(yi)杯海水淡化成飲用水的(de)過(guo)(guo)濾裝置有望成為現實。

國際權威學(xue)術(shu)期刊《科學(xue)》刊登了這項研(yan)究成果，并在評述(shu)中(zhong)認為，氧化(hua)石(shi)墨烯薄(bo)膜在眾多分離應用(yong)中(zhong)具有重要意義(yi)，比(bi)如(ru)，實現海水(shui)的(de)快速淡(dan)化(hua)與(yu)凈(jing)化(hua)。利用(yong)這一特性(xing)，未來人(ren)類讓大海變成巨大淡(dan)水(shui)庫(ku)或許不再是天(tian)方夜譚。

有望成為除霾利器

目(mu)前，在一些防霧(wu)霾口罩和空氣凈化器中起關鍵作用的(de)(de)濾料，大多依靠(kao)靜電原理吸附(fu)PM2.5。但(dan)遇到(dao)水汽或(huo)口鼻中呼(hu)出的(de)(de)霧(wu)氣時(shi)，這些靜電作用就(jiu)會(hui)減弱甚(shen)至消失，從而降(jiang)低(di)了阻滯PM2.5的(de)(de)效果，使得(de)這些濾料失效。

石(shi)墨(mo)烯(xi)具有超高(gao)的(de)(de)(de)比表面積和優異的(de)(de)(de)化(hua)學穩定性(xing)，在空氣凈化(hua)上(shang)具有極大(da)潛力。傳統的(de)(de)(de)濾材很難(nan)通過(guo)現有工藝(yi)制備出超小(xiao)的(de)(de)(de)孔徑。孫立濤在采訪中告訴記者，他(ta)的(de)(de)(de)研究團隊將氧化(hua)石(shi)墨(mo)烯(xi)與傳統濾材結合，首次成功制備出了能高(gao)效(xiao)除(chu)霾的(de)(de)(de)氧化(hua)石(shi)墨(mo)烯(xi)基(ji)濾材。由于該(gai)濾材對(dui)PM2.5的(de)(de)(de)去除(chu)純屬物理阻隔(ge)，因此不受水汽影響，具有長期的(de)(de)(de)穩定性(xing)。

另外，有缺陷的(de)石墨烯骨(gu)架很(hen)薄(bo)且存在大量孔(kong)洞(dong)，因此，由(you)其組裝(zhuang)而(er)成的(de)多(duo)孔(kong)濾(lv)膜，內部孔(kong)道交錯縱(zong)橫，這(zhe)樣可以保證(zheng)濾(lv)材在孔(kong)徑大于2.5微米時(shi)，依(yi)然能(neng)有效地截(jie)留PM2.5，同時(shi)保證(zheng)了濾(lv)材較低的(de)呼吸阻力，解決(jue)了多(duo)數防霧霾口罩(zhao)呼吸不(bu)暢的(de)問題。

有缺陷(xian)的石墨烯并不(bu)完美(mei)，而科研(yan)人員卻挖(wa)掘出它內(nei)在的潛(qian)質(zhi)，使實現其華麗轉身，在環保除污(wu)、凈(jing)化環境方面大顯身手。

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