Nano Lett. | 氧化石墨烯薄膜揭示了水在纳米尺度上的异常行为

表面张力有助于水与纳米氧化石墨烯孔隙的异常相互作用。图片来源：Shutterstock

筛子里的孔越多，液体就能流过越多吗?材料科学家发现，这个看似简单的问题在纳米尺度上可能会有一个意想不到的答案——它可能会对水过滤、能源储存和制氢的发展产生重要影响。

来自新南威尔士大学悉尼分校、杜伊斯堡-埃森大学(德国)、法国GANIL和日本丰田技术研究所的研究人员对氧化石墨烯(GO)膜进行了实验，他们发现在纳米水平上可以发生相反的情况。这项发表在 Nano Letters 上的研究表明，筛网的化学环境和液体的表面张力在渗透率性中发挥着令人惊讶的重要作用。

研究人员观察到，孔隙的密度并不一定导致更高的水渗透性——换句话说，有更多的小孔并不总是允许水在纳米尺度上通过。这项由欧盟和洪堡研究基金会资助的研究，为控制水通过 GO 的机制带来了新的启发。

“如果你在筛子上制造越来越多的孔，你就会认为它会变得更透水。但令人惊讶的是，这与我们在氧化石墨烯膜实验中发生的情况相反，”新南威尔士大学材料科学与工程学院的副教授 Rakesh Joshi 说。

改变化学环境

GO 是一种极薄的碳，有望成为一种净水材料。这种化合物是由单层碳原子与氧原子和氢原子结合而成的。如果你想象一下把乐高积木扔在地板上——地板就是碳原子，而氧原子和氢原子就是乐高积木。

在化学中，分子可以有所谓的“官能团”，它们要么是疏水的，要么是亲水的。石墨烯中的孔隙也可以是疏水或亲水的。

“令人惊讶的是，对于水通量（水流通过膜）来说，更重要的不是孔的数量，而是孔隙是疏水的还是亲水的，”该研究的第一作者 Tobias Foller 说。“这是非常出乎意料的，因为GO层只有一个原子的厚度。人们认为，不管这些小孔是疏水还是亲水，水都会从小孔中穿过。”

尽管在研究中使用的 GO 过滤器中存在许多微小的孔，但在疏水孔的情况下，它们表现出了对水的完全堵塞。

“使用过滤器，通常期望更多的水流和更多的孔。但在我们的研究中，孔洞越多，水流就越少，这是由于氧化石墨烯孔的化学性质，在这种情况下是憎水的，“来自德国杜伊斯堡的研究的合作者Marika Schleberger 教授说。

表面张力的异常影响

研究人员还表示，表面张力也有助于水与 GO 孔隙的相互作用。表面张力的产生是因为分子像水一样想要粘在一起。当被限制在一个足够小的空间里时，水和周围固体表面之间的结合(凝聚力)(附着力)可以起到移动水的作用。这解释了树木是如何克服重力将水分从根部，顺着毛细管输送到叶子上的。

在 GO 中——这里的“毛细管”是100万分之一毫米或更小的尺度的孔隙——正是让水爬上树毛细管的力阻止它通过膜孔。

“当你把水限制在尽可能小的毛细管里——只有几个原子那么大——水分子会吸引自己，形成一个紧密的网络。在不受干扰的情况下，这个网络是如此强大，以至于即使你增加孔的数量，它也不允许分子被释放并通过筛网，” Foller 先生说。

由不同材料制成的超细筛具有不同的应用范围。研究人员表示，他们的发现将帮助科学家微调原子筛中的液体运输，并可能推进高精度水过滤系统等发展。

“通过了解哪些参数会增加或减少水通量，我们可以优化氧化石墨烯在水净化、能源储存、制氢等方面的许多可能应用，” Foller 先生说。“我们希望其他工程师和科学家可以利用这一新知识来改进他们自己的设备，并在未来带来新的发展。”

相关文献：

Tobias Foller et al, Mass Transport via In-Plane Nanopores in Graphene Oxide Membranes, Nano Letters (2022).

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c01615