图片来源： AlexanderAlUS/Wikipedia/CC BY-SA 3.0

科学家们正致力于将石墨烯（薄且质地坚硬的碳层材料）制成超薄薄膜，用于制备性能更好、使用寿命更长久的水过滤器，以快速净化大容量水体中的污染物。

石墨烯的独特性能使其成为水过滤或海水淡化的理想材料。但在大规模应用前，还须克服一个缺点，即制备单原子层石墨烯薄膜是一个超精细的操作过程，很容易在制备过程中将材料结构破坏从而使成品存在结构缺陷，污染物会从这些缺陷部分渗漏。

目前，来自麻省理工学院（MIT）、橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）、法赫德国王石油矿产大学（ King Fahd University of Petroleum and Minerals，KFUPM）的工程师们，将化学淀积和聚合技术结合起来，设计了一种可以修复这一缺陷的方案。然后团队运用了一种先前已得到的方案，在材料中构建出细小却规则的孔，孔径大小仅允许水通过。

研究人员通过将化学淀积和聚合技术结合起来，可以制备出尺寸相对较大（一美分硬币大小）且无结构缺陷的石墨烯膜。膜材的尺寸大小至关重要：用作过滤膜时，成品的尺寸大小要能够达到厘米范围，或是更大。

实验中，研究人员让水透过经过他们双重改良（修复+致孔）后的石墨烯膜，然后将其过滤效果与目前常用的海水淡化膜进行比较。结果发现，石墨烯膜能够过滤掉大部分的大分子污染物（如硫酸镁和葡聚糖）。

麻省理工学院机械工程学副教授Rohit Karnik说道：“至少在实验室规模上，我们已经能够修复石墨烯膜缺陷，要知道，之前石墨烯在宏观领域的分子过滤是无法实现的。如果我们能进一步优化制备流程，也许未来就不需要对缺陷进行修复了。但我个人认为不可能得到这种“完美石墨烯”，污染物杂质渗漏的情况总会发生。双重改良（修复+致孔）就是例子。

图片说明：工程师们通过两步法成功弥补石墨烯膜的结构缺陷。在进行操作前，首先将石墨烯材料附在铜表面（左上图），该过程会使石墨烯材料产生内在缺陷（如图中的裂纹所示）。再将石墨烯层揭起并将其覆在多孔层上（右上图），这一过程中会导致更多的孔洞和裂纹。第一步操作（左下图），使用原子层沉积技术将铪（图中灰色部分）填充在裂缝中；然后通过界面聚合法（interfacial polymerization）用聚酰胺纤维将剩下的孔洞填补。图片来源：MIT

极精细的转移过程

O'Hern说道：“当前能够将海水转化为淡水的膜材尺寸较厚（有200个纳米单位厚）。相比之下，石墨烯膜的尺寸大约只有三埃（比现存膜材薄600倍）。这就使其用于过滤水时效率更高。”

O'Hern和Karnik过去几年一注致力于研究如何将石墨烯做成滤膜。2009年，团队开始试着将石墨烯覆在铜（这种金属支持石墨烯在其表面进行大范围改性）表面制膜。不过，水无法透过金属铜，所以之后需要将石墨烯转移至多孔层上。

然而，O'Hern发现转移过程会导致石墨烯出现裂纹。此外，在石墨烯生长过程中还会生成内在缺陷，这些都会影响膜材的过滤效果。

将石墨烯膜的孔洞“堵住”

为了解决上述问题，团队想出了一种技术首先解决内在缺陷，然后解决转移过程造成的缺陷。研究人员使用了一种叫做原子层沉积（atomic layer deposition）的技术解决内在缺陷，将石墨烯膜置于真空室中，然后通过震动将含铪的化学物质（通常不会与石墨烯发生反应）添加至缺陷部位。不过如果化学物质接触到了石墨烯的小开口，该部位较高的表面能会导致化学物质和开口粘合在一起。

经过了几轮原子层沉积试验，研究人员发现二氧化铪能够成功地沉积入石墨烯的纳米级缺陷中。不过O'Hern意识到使用相同的方法填充更大的孔洞和裂纹（尺寸为几百纳米）还需更多的时间。

他和他的同事们想出了第二种技术来解决更大的缺陷，选用了一种叫做界面聚合的方法（interfacial polymerization），该方法经常用于制备膜材。填充完石墨烯的内在缺陷之后，研究人员将膜材侵入到两种溶液（水浴和不与水混溶有机溶剂，如油）的界面。

两种溶液分别溶解掉了两种不同的分子，从而反应制得聚酰胺纤维。只要将石墨烯膜置于两种溶液的界面，聚酰胺纤维就会生成并填充入裂纹和孔洞中（因为只有这些部位两种分子才能充分接触），并最终完美地将剩余缺陷部位填充。

研究人员使用去年研发的一项技术，进一步将石墨烯中那些细小且规则的孔洞蚀刻掉，这些孔洞小到能让水分子通过，却能将较大的污染物“拒之门外”的程度。实验中，他们测试了膜材对含一些大分子（包括盐在内）的水溶液的过滤效果，发现膜材能够过滤掉90%的大分子，不过却不能过滤掉盐，并且盐的透过速度比水还要快。

初步测试表明，尽管填充缺陷和控制渗透率的技术仍需进一步改进，但石墨烯依然会是现有过滤膜的可行的替代品。

Karnik表示：“如果这项技术研究成功，应用前景将非常广泛（特别是在海水淡化和纳米过滤领域），影响会十分巨大；此外，该技术可能也将在精细化工和生物样品处理等领域大展拳脚。这是对尺寸升级为厘米级别，并能进行任何类型分子过滤的石墨烯膜的首次报道，这一进展确实让人兴奋不已。”（科学之家，译审：Kong）

英文来源: http://phys.org/news/2015-05-leaky-graphene-technique-enable-faster.html