傳統(tǒng)的透析膜較厚的聚合物層和蜿蜒曲折的內(nèi)部孔道使得其擴散率和擴散性都較低。來自麻省理工學院的科研人員報道了一種納米多孔原子薄膜（NATMs）的制備方法，制備出了選擇性孔隙小于1nm的石墨烯膜，其選擇分離和脫鹽的結(jié)果比最先進的商業(yè)膜高1-2個數(shù)量級，其快速擴散和尺寸選擇性能能夠為藥物凈化、去除殘留的反應(yīng)物、生化分析等帶去了革命性的機會。相關(guān)成果《NanoporousAtomicallyThinGrapheneMembranesforDesaltingandDialysisApplications》發(fā)表于AdvancedMaterials雜志，通訊作者為MIT機械工程系的RohitKarnik副教授。DOI:10.1002/adma.201700277
滲析分離廣泛應(yīng)用于生化的整個行業(yè)中。在滲析中，樣本溶液和滲析液中間相隔著半滲透膜，小組分在濃度差下透過膜而大組分被攔截。傳統(tǒng)的滲析過程有兩個主要缺點：低擴散率以及對于接近分子量截止范圍的選擇性低，尤其是在0-1000Da范圍內(nèi)。
分子跨膜滲析率和其厚度成反比，也取決于孔隙率和曲折度。理想的情況下，滲析膜能夠允許低于截止尺寸的溶質(zhì)快速通過，將大于截止尺寸的溶質(zhì)阻攔下來。膜對于運輸?shù)淖枇κ怯脻B透性來表征的，比如說每單元膜面積每驅(qū)動力下的運輸速率。兩種溶質(zhì)同時滲析時，即選擇性也是膜的一個重要特征。通常來說，有一個選擇性和滲透性的權(quán)衡。
普遍意義上來說,透析是分子從一個溶液中利用濃度差通過膜擴散到更稀的溶液中。除了應(yīng)用于血液透析中將廢物從血液中排除外,科學家還使用透析來凈化藥物、去除化學溶液中的殘渣、分離分子進行醫(yī)學診斷等。材料通常是多孔膜。
現(xiàn)在的商業(yè)透析膜分離分子速度緩慢,部分原因是因為他們的結(jié)構(gòu):厚度較大,且膜通道中的孔蜿蜒曲折,使得目標分子難以迅速通過。
現(xiàn)在麻省理工學院的工程師們已經(jīng)從一片石墨烯中制備出了一個功能性的透析膜——一個單層碳原子，像鐵絲織網(wǎng)一樣的六角形結(jié)構(gòu)環(huán)環(huán)相連。這個只有指甲蓋大小的石墨烯膜的厚度小于1納米(現(xiàn)有的最薄膜約20納米厚)。該膜能夠過濾出水溶液中的納米分子,比最先進的膜還要快10倍,而比石墨烯本身要快100倍。
麻省理工學院機械工程系的博士后(piranKidambi)表示,雖然石墨烯在電子學中的應(yīng)用已經(jīng)很大程度上被探索,但該研究小組的發(fā)現(xiàn)表明,石墨烯還可以用來改善膜技術(shù),尤其是實驗室規(guī)模的分離和潛在的血液透析過程。
"因為石墨烯很薄,所以它的擴散速度會非常快,"Kidambi說，"一個分子不需要在較厚膜的彎曲孔洞中來回折騰才能通過。能夠?qū)⑹┮氲缴锓蛛x的體系中是非常令人興奮的。”
堵漏石墨烯
合成過程。用界面聚合來密封住轉(zhuǎn)移過程中的撕裂和缺陷
為了制造石墨烯膜,研究人員首先使用常用的化學氣相沉積技術(shù)（chemicalvapordeposition,CVD）在銅箔上生長石墨烯。然后他們小心翼翼地蝕刻掉銅,并將石墨烯轉(zhuǎn)移到一張聚碳酸酯的支撐板上,上面布滿了足夠大的孔隙,可以穿透通過石墨烯的任何分子。聚碳酸酯起到了腳手架的作用,使超薄的石墨烯保持卷曲。
研究人員希望將石墨烯轉(zhuǎn)化為分子選擇性篩,只允許通過一定尺寸的分子。為了做到這一點,他們通過將材料暴露在氧等離子體（oxygenplasma）中從而在材料上產(chǎn)生了微小的孔隙。氧等離子體是將氧氣泵入等離子體室,可以在任何材料上進行蝕刻。
Kidambi說:"通過調(diào)節(jié)氧等離子體的條件，我們可以控制制備出的毛孔密度和大小，這種方法在石墨烯領(lǐng)域還是新奇（pristine）的方法。在這個過程中，氧自由基和石墨烯上的碳原子迅速反應(yīng),生成了二氧化碳并飛出。"
在石墨烯表面剩下的是的一個小洞,即碳原子的位置。Kidambi和他的同事發(fā)現(xiàn),在氧等離子體中暴露時間越長,毛孔就會越大越致密。相對較短的曝光時間，約45至60秒，會產(chǎn)生非常小的孔。
可取的缺陷
研究人員用多個不同孔尺寸和分布的石墨烯膜做了測試，將每個膜放在擴散室的中間。他們在腔室的料液側(cè)填充了含有不同分子大小混合物溶液，從氯化鉀(0.66納米寬)、維生素B12(1到1.5納米)、溶菌酶(4納米)和一種在在蛋清中發(fā)現(xiàn)的蛋白質(zhì)。腔室的另一側(cè)充滿了稀溶液。
然后,研究小組測量了分子在每個石墨烯膜上擴散時的流動。具有很小孔隙的膜可以通過氯化鉀,但如L-色氨酸的分子不能通過。具有較大孔的膜能夠讓相近的大分子通過。該研究小組用商業(yè)透析膜進行了類似的實驗。相比之下發(fā)現(xiàn)，石墨烯膜具有較高的滲透性。以10倍的速度過濾出理想的分子。
Kidambi指出,聚碳酸酯的支撐層孔是蝕刻而成，只占用了10%的表面積，這限制了最終通過兩層的理想分子的數(shù)量。"只有10%的膜的面積是可以達到的,但即使只有10%,我們還是可以做得比最先進的膜的數(shù)據(jù)還好"，Kidambi說。
為了使石墨烯膜更好,團隊計劃通過蝕刻更多的孔來改善聚碳酸酯支撐體。