石墨烯基材料是解決淡水危機(jī)的靈丹妙藥嗎？
圖片來源：曼徹斯特大學(xué)
新研究發(fā)現(xiàn)，氧化石墨烯在實驗室中能夠有效過濾水中97%的氯化鈉，它會成為解決淡水危機(jī)的靈丹妙藥嗎？
撰文 劉小鷗
編輯 丁家琦
據(jù)聯(lián)合國估計，到2025年，將有18億人生活在絕對缺水的地區(qū)，同時約三分之二的人口將面臨用水緊張[1]。嚴(yán)格說來，我們的藍(lán)色星球并不缺“水”——地表超過七成面積被海洋覆蓋。人們守著這個巨大“寶庫”，卻無力掘出寶藏。
因此，不少發(fā)達(dá)國家開始投資發(fā)展海水淡化技術(shù)。利用膜材料進(jìn)行選擇性分離是淡化的常用方法之一，典型的材料包括聚合物分離膜等。但目前的技術(shù)條件幾乎都存在問題，要么耗能巨大，要么對環(huán)境有負(fù)面影響等等[2]。
實驗中的新材料
在實驗室中，科學(xué)家探索著新型材料石墨烯家族在這一領(lǐng)域的應(yīng)用可能。一種石墨烯衍生物也吸引了研究者的目光——氧化石墨烯（graphene oxide，也稱石墨烯氧化物）。氧化石墨烯的制備過程較為簡單，具有較大的應(yīng)用可能。
之前，氧化石墨烯已經(jīng)被證實能夠過濾一些納米顆粒及有機(jī)分子，但對尺寸更小的鹽卻束手無策。氯化鈉在水中溶解后，離子會被水分子簇?fù)?，周圍形成一層“水膜”，即水合層。問題是，氧化石墨烯長時間浸泡在水中后會變形擴(kuò)張，因此很難進(jìn)行有效的分離。
氧化石墨烯膜系統(tǒng)機(jī)制示意圖。紅灰相間的代表水分子，而綠色與藍(lán)色圓點代表離子。左圖是浸泡變形的氧化石墨烯膜系統(tǒng)，層間距變大而無法有效進(jìn)行有效分離。右圖是新研究中處理后的膜系統(tǒng)。
圖片來源：參考材料[2]
最近，英國的一組科學(xué)家解決了這個棘手的問題。他們利用環(huán)氧樹脂在氧化石墨烯側(cè)面“筑墻加固”，不僅有效地阻止了變形，還能更精確地調(diào)控氧化石墨烯層間的間距[3]。
“當(dāng)這個‘毛細(xì)管’尺寸十分接近水分子，大約1納米時，水分子就會像一列火車一樣有序地排列通過通道?！毖芯空呃鸂枴つ蜖枺≧ahul Nair）在接受BBC采訪時介紹[4]。
從實驗室到流水線
目前，這種方法能夠有效過濾97%的氯化鈉。盡管看起來前景光明，但它暫時仍僅僅局限于實驗室。要知道，許多研究中的“潛力股”都敗在了邁向工業(yè)生產(chǎn)的環(huán)節(jié)。先前也有研究嘗試將石墨烯作為淡化膜，但因石墨烯制備難度大、成本高而止步不前。
雖然氧化石墨烯確實相對容易制備，可實現(xiàn)低成本的工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)還有很長的路要走。
此外，應(yīng)用層面的諸多問題仍有待解決。比如這種材料是否經(jīng)得起長期的海水浸泡的考驗，以及如何在使用過程中清理污垢，或定期更換過濾材料。材料學(xué)家拉姆·德文納森（Ram Devanathan）認(rèn)為，可以考慮在材料中加入一些納米顆?；蛘哂H水基，或許能提高膜系統(tǒng)的性能[2]。
接下來，科學(xué)家們計劃把這種新材料和現(xiàn)有材料作比較，挖掘這種新材料的更多潛力[3]。最終的目標(biāo)是希望開發(fā)出一種低能耗高效的過濾膜系統(tǒng)[2]。
石墨烯時代到來？
在這篇論文的作者名單中，一個名字格外耀眼——安德烈·海姆（Andre Geim）。他與同事康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）因在二維材料石墨烯領(lǐng)域的開創(chuàng)性實驗方法，共同獲得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎。
海姆與諾沃肖洛夫贈送給瑞典諾貝爾博物館的石墨、石墨烯電晶體與“簽名款”膠帶。
圖片來源：nobelprize.org
當(dāng)年海姆親自帶著愛徒諾沃肖洛夫，在實驗室中利用雙面膠帶反復(fù)粘貼揭開，從石墨薄片上剝離出了高質(zhì)量的石墨烯，被媒體稱為“膠帶撕出的諾獎”[5]（海姆也于2000年獲得了“搞笑諾貝爾獎”，成為首位同時獲得“兩個諾獎”的科學(xué)家，是位非常有趣的學(xué)者。）
最近幾年，石墨烯與“親戚們”石墨烯基材料一直是科研界的“大明星”。石墨烯表現(xiàn)出驚人的強度、優(yōu)越的導(dǎo)電導(dǎo)熱性等特點，在各個領(lǐng)域似乎都有它大施拳腳的可能。
但它“什么都好”，就是既貴又少。真正令科學(xué)家頭疼的是，獲得高質(zhì)量的石墨烯十分困難，更別說大規(guī)模地制備生產(chǎn)。
2012年，諾沃肖洛夫與該領(lǐng)域的專家共同探討了石墨烯未來的發(fā)展道路[6]——盡管前途一片光明，但在走上工業(yè)流水線之前，石墨烯還稱不上是“游戲規(guī)則的改變者”。真正的石墨烯時代，可能還需要我們等一等。
參考文獻(xiàn)
[1] UN-Water (2013), ‘Water Scarcity Factsheet, UN, http://www.unwater.org/publications/publications-detail/en/c/204294;
[2] Devanathan, R. (2017), ‘Energy penalty for excess baggage’, Nature Nanotechnology;
[3] Abraham, J. et al. (2017), ‘Tunable sieving of ions using graphene oxide membranes’, Nature Nanotechnology;
[4] Rincon, P. (2017), ‘Graphene-based sieve turns seawater into drinking water’, BBC News, http://www.bbc.com/news/science-environment-39482342;
[5] Nobel Media AB (2010), ’Graphene – the perfect atomic lattice’, Nobelprize.org, https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2010/press.html;
[6] Novoselov, K. S. et al. (2012), ’A roadmap for graphene’, Nature Vol. 490, 192-200.
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