麻省理工学院的工程师已经找到了一种方法，可以在实验室中种植材料时将微观孔直接“钉”到石墨烯中。通过这种技术，他们制造了相对较大的石墨烯片（“大”，意思是大致相当于邮票的大小），其孔隙可以使溶液中的某些分子过滤效率更高。

 这些孔通常被认为是不需要的缺陷，但麻省理工学院的研究小组发现，石墨烯中的缺陷 - 由单层碳原子组成 - 在透析等领域具有优势。通常，在实验室中使用更厚的聚合物膜来从溶液中滤出特定分子，例如蛋白质，氨基酸，化学品和盐。如果它可以用小到足以让某些分子穿过但不能通过其他分子的孔来定制，石墨烯可以大大改善透析膜技术：这种材料非常薄，这意味着小分子通过石墨烯所需的时间远远少于通过石墨烯。较厚的聚合物膜。

 研究人员还发现，在石墨烯正常生长过程中简单地降低温度会产生与透析膜旨在过滤的大多数分子一样的确切尺寸范围的孔隙。因此，新技术可以很容易地集成到任何大规模的石墨烯制造中，例如团队之前开发的卷对卷工艺。“如果你采用卷对卷制造工艺，它就会改变游戏规则，”主要作者Piran Kidambi说，他以前是麻省理工学院的博士后，现在是范德比尔特大学的助理教授。“你不需要任何其他东西。只是降低温度，我们有一个完全集成的石墨烯膜制造设置。

 Kidambi的麻省理工学院合着者是机械工程副教授RohitKarnik，电子工程和计算机科学教授Jing Kong，以及牛津大学，新加坡国立大学和橡树岭国家实验室的研究人员。他们的论文今天出现在Advanced Materials（“通过直接合成具有纳米级孔隙率的石墨烯的大面积原子薄膜的简易制造”）中。

 麻省理工学院的研究人员已经开发出一种技术来制造可以过滤小分子和盐的大方格的石墨烯。（图片来源：Felice Frankel）

  Kidambi和他的同事之前开发了一种技术，通过使用传统方法制造原始石墨烯，然后使用氧等离子体蚀刻掉完全成形的材料以产生孔隙，从而在石墨烯中产生纳米尺寸的孔。其他团队使用聚焦离子束有条不紊地将空穴钻入石墨烯，但Kidambi表示，这些技术很难融入任何大规模制造过程。“这些过程的可扩展性非常有限，”Kidambi说。“它们会占用太多时间，而且在工业上快速的过程中，这样的孔隙生成技术将是一项挑战。”

 因此，他寻找以更直接的方式制造纳米多孔石墨烯的方法。作为剑桥大学的博士生，Kidambi大部分时间都在寻找制造原始无缺陷石墨烯的方法，用于电子产品。在这种情况下，他试图最大限度地减少化学气相沉积（CVD）过程中发生的石墨烯缺陷 - 研究人员将气体流过熔炉内的铜基板。在足够高的温度（约1000摄氏度）下，气体最终作为高质量的石墨烯沉积在基板上。

 “那时候我意识到了这一点：我只需要回到我的工艺库中，找出那些给我带来缺陷的，并在我们的CVD炉中试用它们，”Kidambi说。事实证明，该团队发现，通过简单地将炉子的温度降低到850到900摄氏度之间，他们能够在石墨烯生长时直接产生纳米尺寸的孔隙。“当我们尝试这个时，它让我们感到惊讶它确实有效，”Kidambi说。“这温度条件确实给了我们制造石墨烯透析膜所需的尺寸。”“这是最终使石墨烯膜适用于各种应用的几项进步之一，”Karnik补充道。“它们可能用于生物技术分离，包括制备药物或分子疗法，或者可能用于透析疗法。”

 虽然团队并不完全确定为什么较低温度会产生纳米多孔石墨烯，但Kidambi怀疑它与反应中的气体如何沉积到基板上有关。“石墨烯生长的方式是，你注入一种气体，气体在催化剂表面分解并形成碳原子簇，然后形成核或种子，”Kidambi解释说。“所以你有许多小种子，石墨烯可以开始生长，形成连续的薄膜。如果降低温度，则成核阈值会降低，因此会产生很多核。如果你有太多的原子核，它们就不能长得足够大，而且它们更容易出现缺陷。我们不确切地知道这些缺陷或毛孔的形成机制是什么，但我们每次都看到它。

 研究人员能够制造纳米多孔的石墨烯片。但是由于这种材料非常薄，现在只有孔洞，如果有任何分子溶液流过它，它可能会像纸薄瑞士奶酪一样分开。因此，该团队采用了一种方法，在石墨烯顶部浇铸较厚的聚合物支撑层。

 支撑的石墨烯现在足够坚韧，可以承受正常的透析程序。但即使目标分子通过石墨烯，它们也会被聚合物载体阻挡。该团队需要一种在聚合物中产生明显大于石墨烯孔隙的方法，以确保穿过超薄材料的任何小分子能够轻松快速地通过更厚的聚合物，类似于通过端口游动的鱼类洞只是它的大小，然后立即通过一个很大的隧道。

 该团队最终发现，通过将铜，石墨烯和聚合物的堆叠浸没在水溶液中，并使用传统工艺蚀刻掉铜层，同样的过程自然地在聚合物支撑体中产生大数百倍的大孔。比石墨烯的孔隙。结合他们的技术，他们能够创建纳米多孔石墨烯片，每片约5平方厘米。“据我们所知，到目前为止，这是通过直接形成孔隙制成的最大的原子级薄纳米多孔膜，”Kidambi说。

 目前，该团队已经在石墨烯中产生了大约2到3纳米宽的孔隙，他们发现这些孔隙足够快，可以快速过滤氯化钾（0.66纳米）和小分子，如氨基酸L-色氨酸（约0.7）纳米），食用色素Allura Red Dye（1纳米）和维生素B-12（1.5纳米）不同程度。该材料没有过滤掉稍大的分子，例如蛋蛋白溶菌酶（4纳米）。该团队正在努力调整石墨烯孔的大小，以精确过滤各种尺寸的分子。

 “我们现在必须控制这些尺寸缺陷并制作可调大小的毛孔，”Kidambi说。“缺陷并不总是坏的，如果你能做出正确的缺陷，你可以为石墨烯提供许多不同的应用。”

 来源：文章来自Nanowerk News网站，由材料分析与应用整理编辑。