氧化石墨烯薄膜在水中離子篩選效應研究取得重要進展
2014-04-09 16:52:21
admin
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據中國科大新聞網2014年3月12日訊 近日，我校工程科學學院近代力學系材料力學行為和設計重點實驗室的吳恒安教授和王奉超博士與英國曼徹斯特大學安德烈·海姆（Andre Geim，2010年諾貝爾物理獎獲得者）教授課題組合作，在氧化石墨烯薄膜快速篩選離子研究方面取得了突破性進展。研究成果以 “Precise and Ultrafast Molecular Sieving Through Graphene Oxide Membranes” 為標題刊登在2月14日出版的國際著名期刊Science上（Science, 343 (6172): 752-754, 2014）。同期Science專門對此研究成果進行了展望評述（Science, 343 (6172): 740-742, 2014）。
石墨烯以其獨特的力學和電學特性被稱為“神奇材料”（wonder material）。然而，石墨烯與水之間的相互作用機理卻并不為人們所熟知。石墨烯表面是疏水的，但浸入到水中的石墨烯薄膜里的毛細通道卻允許水的快速滲透。此前，吳恒安教授曾在英國曼徹斯特大學做訪問學者，針對氧化石墨烯薄膜獨特的隔氣透水性質與實驗科學家們一起開展了合作研究，研究成果刊于2012年1月27日出版的Science上（Science, 335 (6067): 442-444, 2012）。
*新研究表明，水環境中的氧化石墨烯薄膜在水合作用下會形成約0.9納米寬的毛細通道，可以阻止水合半徑大于0.45納米的離子或分子通過。該篩選效應不僅對離子尺寸要求非常精準，而且要比經典的濃度擴散快上千倍。這些發現在海水淡化與凈化、傳感技術以及能源轉換等領域具有廣闊的應用前景。合作者之一Irina Grigorieva博士表示，此研究成果意味著制造一個在幾分鐘內即可將一杯海水淡化成飲用水的過濾裝置，已不再只是科幻小說場景。
吳恒安教授課題組在該項工作中做出的主要貢獻是用理論分析和分子模擬研究了石墨烯納米通道快速過濾離子的機理。他們的計算機模擬工作表明，石墨烯與離子之間的相互作用使離子在納米通道中聚集，從而形成了更高的濃度梯度。這一發現對實驗結果給出了合理的解釋，也被稱為“離子海綿（ion sponging）效應”。
這項合作研究得到了國家自然科學基金的資助。