ACS Omega：动态石墨烯气泡实现类细胞行为的快速水输运

英文原题：Cell-like behaviors of dynamic graphene bubbles with fast water transport

通讯作者：马冬林，首都师范大学物理系

作者：Tian Li, Wenyu Sun, Xinqi Wang, Jingqi Feng

生物细胞存在水通道蛋白等特定功能的膜蛋白，为水的快速输运提供了纳米流通道，极大地提升了水在膜间传输效率。通过对大自然演化结构的长期学习，人们发展了具有生物膜特性的人工纳米通道，并将其利用在海水淡化、能源储存等领域。碳纳米管、石墨烯等碳纳米结构是理解、模拟生物纳米流体现象的理想候选材料。理论模拟及实验证明，碳纳米管的限域空间具有类水通道蛋白机理的快速和选择性水输运特性，水分子在其中的输运速度比传统的Hagen–Poiseuille流体速度快4-5个数量级。此外，在石墨烯/二氧化硅纳米通道、石墨烯氧化薄膜、石墨烯/碳化硅和多孔石墨烯等碳基纳米结构中也发现了水传输速率增强的现象。与碳纳米管相比，石墨烯基纳米结构中的水传输过程可以通过石墨烯表面电荷、衬底效应、石墨烯形貌等因素进行速率调控。因此探索具有快速水传输能力的新型石墨烯基纳米结构有助于深入理解纳米流体现象及探索未来应用前景。

石墨烯气泡是一种独特的石墨烯基纳米结构，它可将介观尺度的气体或液体储存于气泡与衬底之间。近日，首都师范大学物理系马冬林课题组通过化学气相沉积法在液态铜/刚性坞箔组合衬底上生长少层石墨烯，通过应力工程在样品表面有效聚集应力，获得了区别于以前研究的石墨烯气泡(图1)。将石墨烯气泡暴露于湿度可控的环境中，在光学显微镜下对气泡的形态变化进行原位观察，可以发现气泡可以随周围湿度变化在“充盈”与“干瘪”状态间进行切换。室温条件下，相对环境湿度为25%时，石墨烯气泡处于“干瘪”状态；当样品暴露在相对湿度为60%的环境下，石墨烯气泡快速膨胀为一个亚稳定的半球体；当湿度切换回25%后，石墨烯气泡逐渐收缩，最终坍缩回“干瘪”状态。这种状态切换可以反复进行(图2)。

图1. 石墨烯气泡制备示意图及其光学显微镜照片。

图2. 动态石墨烯气泡对环境湿度的响应行为。

利用单色光学显微镜，可观察到石墨烯气泡中存在明显的牛顿环，并且随着气泡的动态变化而变化。通过高速摄像机对动态牛顿环进行记录与测量，我们估算了水进/出石墨烯气泡的速率：本工作中石墨烯气泡水传输速率大约为100 μm³ ms^-1，比水在石墨烯/硅片界面以及在用化学气相沉积法生长的石墨烯/铜箔界面中的传输速率快9-12个数量级，比水在碳纳米管和水蛋白通道中的传输速率仅小了1-2个数量级。通过原子力显微镜表征发现，石墨烯气泡周围存在石墨烯褶皱，因而推断石墨烯褶皱作为纳米流体通道，使得水分子快速进入石墨烯与衬底间，形成石墨烯气泡。石墨烯与铜钨合金衬底界面的亲水性，在能量上驱动水分子进入气泡内。这种具有快速水输运能力的动态石墨烯气泡为纳米流体现象的研究以及石墨烯气泡在湿度传感器中的应用提供了一个新的平台。

图3. 水在动态石墨烯气泡中的快速传输。

视频：动态石墨烯气泡的形变过程。

ACS Omega 2020, 5, 43, 28249–28254

Publication Date: October 20, 2020

https://doi.org/10.1021/acsomega.0c04150

Copyright © 2020 American Chemical Society

通讯作者简介

马冬林博士，首都师范大学物理系讲师。研究方向为超高真空扫描隧道显微学、新型二维材料的化学气相沉积生长研究，石墨烯准晶及其他二维准晶体系的物性研究。发表SCI论文30余篇，3000+学术引用。主持国家自然科学基金委青年项目1项，主持北京市教委一般项目1项，参与北京市自然科学基金委重点研究专题项目1项。