超薄石墨烯滲析膜可實現高分離與脫鹽效果

傳統的透析膜較厚的聚合物層和蜿蜒曲折的內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果比最先進的商業膜高1-2個數量級，其快速擴散和尺寸選擇性能能夠為藥物凈化、去除殘留的反應物、生化分析等帶去了革命性的機會。

滲析分離廣泛應用于生化的整個行業中。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。

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快速通過，將大于截止尺寸的溶質阻攔下來。膜對于運輸的阻力是用滲透性來表征的，比如說每單元膜面積每驅動力下的運輸速率。兩種溶質同時滲析時，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、分離分子進行醫學診斷等。材料通常是多孔膜。

現在的商業透析膜分離分子速度緩慢,部分原因是因為他們的結構: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。

現在麻省理工學院的工程師們已經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，像鐵絲織網一樣的六角形結構環環相連。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用已經很大程度上被探索,但該研究小組的發現表明,石墨烯還可以用來改善膜技術,尤其是實驗室規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?？?"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。能夠將石墨烯引入到生物分離的體系中是非常令人興奮的?！?

合成過程：用界面聚合來密封住轉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（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:"通過調節氧等離子體的條件，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,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和他的同事發現,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，會產生非常小的孔。

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現的蛋白質。腔室的另一側充滿了稀溶液。

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。該研究小組用商業透析膜進行了類似的實驗。相比之下發現，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據還好"，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。