研究人员用石墨烯开发出更便宜的纳米卷轴

未来的滤水器可能由数十亿个微小的石墨烯纳米卷轴制成。每一个卷轴都是由一个原子厚的石墨烯层卷起而成，可以被量身定制，将特定的分子和污染物困在紧密缠绕的褶皱中。数十亿个这样的卷轴，一层一层地堆叠，可能会产生一种轻质、耐用、高选择性的水净化膜。但这里有一个问题:石墨烯并不便宜。这种材料特殊的机械和化学性能是由于其非常规则的六角形结构，就像微观的铁丝网。科学家们煞费苦心地保持石墨烯纯净无瑕的形态，所用的工艺既昂贵又耗时，严重限制了石墨烯的实际用途。

为了寻找替代品，麻省理工学院和哈佛大学的一个团队正在寻找氧化石墨烯——石墨烯便宜得多，但不完美的形式。氧化石墨烯是一种覆盖着氧和氢基团的石墨烯。这种材料本质上就是石墨烯被放置在户外时的样子。该团队用氧化石墨烯薄片制作了纳米卷轴，并能够使用低频和高频超声波技术控制每个纳米卷轴的尺寸。研究人员说，这些卷轴具有类似于石墨烯的机械性能，而且制造成本只有石墨烯的一小部分。

麻省理工学院机械工程系的研究生伊泰·斯坦(Itai Stein)说:“如果你真的想制造一个工程结构，在这一点上，使用石墨烯是不现实的。”“氧化石墨烯便宜2到4个数量级，有了我们的技术，我们可以调整这些结构的尺寸，为工业打开一扇窗户。”

斯坦因说，氧化石墨烯纳米卷除了用于水过滤器之外，还可以用作超轻化学传感器和氢存储平台。斯坦和哈佛大学的研究生卡洛·阿玛迪在《纳米尺度》杂志上发表了他们的研究结果。

远离皱巴巴的石墨烯

该团队的论文最初源于麻省理工学院机械工程副教授罗希特·卡尼克(Rohit Karnik)教授的2.675(微纳米工程)课程。作为他们最终项目的一部分，斯坦因和阿玛迪合作设计了用氧化石墨烯制成的纳米卷轴。Amadei作为哈佛大学Chad Vecitis教授实验室的一员，一直致力于将氧化石墨烯应用于水净化，而Stein作为麻省理工学院航空航天学教授Brian Wardle领导的小组的一员，正在试验碳纳米管和其他纳米级架构。

“我们最初的想法是制作用于分子吸附的纳米卷轴，”Amadei说。“与封闭结构的碳纳米管相比，纳米卷轴是开放的螺旋，所以你有所有可用的表面积来操作。”

斯坦因补充说:“你可以调整纳米卷轴层的分离，用氧化石墨烯做各种各样的漂亮事情，而这些事情是你用纳米管和石墨烯本身做不到的。”

当他们回顾之前在这一领域所做的事情时，学生们发现科学家们已经成功地用石墨烯生产出了纳米卷轴，尽管要保持材料的纯度需要非常复杂的过程。有几个小组尝试用氧化石墨烯做同样的事情，但他们的尝试实际上是失败的。

斯坦说:“文献中所描述的更像是皱巴巴的石墨烯。”“你无法真正看到圆锥形的本质。目前还不清楚制作了什么。”

泡沫崩溃

Stein和Amadei首先使用了一种称为Hummers方法的常见技术，将石墨薄片分离成单独的氧化石墨烯层。然后，他们将氧化石墨烯薄片置于溶液中，并使用两种类似的方法使其卷曲成卷轴:低频尖端声纳器和高频定制反应器。

尖端声纳是一种由压电材料制成的探头，当施加电压时，它会以20Hz的低频率振动。当置于溶液中时，尖端声波发生器会产生声波，搅动周围环境，在溶液中产生气泡。

同样，该小组的反应器包含一个连接到电路的压电元件。当施加电压时，反应器以更高的390赫兹频率震动——与尖端声纳相比——在反应器内的溶液中产生气泡。斯坦因和阿玛迪将这两种技术应用于氧化石墨烯薄片的溶液，并观察到类似的效果:在溶液中产生的气泡最终破裂，释放出的能量导致薄片自发卷曲成卷轴。研究人员发现，他们可以通过改变治疗时间和超声波频率来调整卷轴的尺寸。高频率和较短的处理时间不会导致氧化石墨烯薄片的严重损伤，并产生更大的卷轴，而低频率和较长的处理时间往往会使薄片分离，产生更小的卷轴。

虽然该小组最初的实验将相对较少的薄片(约10%)变成了卷轴，但斯坦因说，这两种技术都可以优化以产生更高的产量。他说，如果可以扩大规模，这些技术可以与现有的工业流程兼容，特别是在水净化方面。

斯坦说:“如果你能大规模生产，而且成本低廉，你就可以生产大量的过滤器样品，然后把它们扔到水中，以去除各种污染物。”

麻省理工学院

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-由克里斯·瓦夫拉编辑，制作编辑，控制工程，cvavra@cfemedia.com．查看更多控制工程能效故事．

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