范德堡大学：研发出一个原子厚度的石墨烯薄膜

跟二维材料打交道的研究人员与那些对薄膜进行相关研究的学者们曾一度没有交集。当他们共同合作后，正取得令人兴奋的新进展。美国范德堡大学的化学和生物分子工程教授认同并已证明了这一点。

在《先进材料》“Advanced Materials”杂志上发表的一篇评论文章(“利用纳米级孔隙直接合成石墨烯，轻松制备大面积原子薄膜”)中：化学和生物分子工程助理教授Piran Kidambi和他的团队探索出一种薄膜制造的新方法，即使用只有一个原子厚度的材料来制作薄膜。

他们解释了该技术是如何发展和进步的，以及该领域合作的时机是如何成熟的。他们的技术路线图表明：对二维材料和薄膜的研究曾是一个相互独立的领域。当对二者进行交叉研究时，其协同作用的各种可能性正产生令人兴奋的新进展。

如图所示为无聚合石墨烯转移至聚碳酸酯轨道蚀刻(PCTE)支架示意图。图A) 为石墨烯在孔洞大小为200 nm的聚碳酸酯轨道蚀刻(PCTE)支架上的迁移示意图。位于铜箔上的纳米多孔石墨烯被压在PCTE上，然后对铜箔进行蚀刻。图B)为 PCTE支架上的石墨烯光学图像。图中的黑色方块是石墨烯。图C-E)为PCTE支架的石墨烯扫描电镜(SEM)图像。在机械加压使得石墨烯迁移期间，红色箭头指示的气孔不可避免地混入进来。另外，黄色箭头显示：在石墨烯薄膜表面出现褶皱。白色箭头显示的是不含石墨烯的PCTE开孔

Kidambi和他的团队最近在他们的工作中应用了这种技术，以求解决薄膜研究中一些最关键的挑战：如何在通过膜时在不影响过滤性能的情况下实现高流量。

该团队最初专注于开发方法，直接将纳米孔形成一种原子级薄的材料。研究小组降低了石墨烯的温度，发现这导致了纳米级空穴——从二维碳原子层中缺失的碳原子以六角形晶格连接。

Kidambi说：“这让我想起在烘烤巧克力蛋糕时，为获得不同口感，需要降低温度。”

然而，需要支撑具有纳米级孔的原子级薄石墨烯以形成膜。该团队转向传统的聚合物膜制造技术，并决定在纳米多孔石墨烯上铺一层薄聚合物层，并将叠层进行水浴。

水浴将聚合物转化为顶部有石墨烯的多孔支撑层，有效形成了原子化薄膜。继续与烘焙进行类比，这就像面团转化成多孔面包——支撑聚合物层。该团队使用这些原子级薄膜来证明盐和小分子与小蛋白质的分离。

Kidambi说：“大多数商业用薄膜都是在很小范围内分离出来的。因为它们形成了一层厚达几微米、有弯曲气孔的致密聚合物层。这些层之间的扩散非常缓慢。在此，我们制作了一种只有一个原子厚度的薄膜，并且该薄膜显示出更高的渗透率——比最先进的商业透析膜高100倍，特别是在低分子量的截止范围内。我们认为这些膜可以为小分子分离、精细化学纯化、缓冲液交换以及包括实验室规模透析在内的许多其他过程，作出变革性的突破。”

原文来自：nanowerk，原文题目：Synergy in two-dimensional materials and membranes research，由材料科技在线团队编译。