包含碳原子薄晶格的單片石墨烯可能看起來相當(dāng)脆弱。但麻省理工學(xué)院的工程師發(fā)現(xiàn)，超薄材料非常堅(jiān)固，在施加至少100巴的壓力下保持完好。這相當(dāng)于典型廚房龍頭產(chǎn)生的壓力的20倍。

研究人員發(fā)現(xiàn)，承受這種高壓的關(guān)鍵在于將石墨烯與薄的底層支撐基板結(jié)合在一起，這種支撐基板被微孔或毛孔堵塞。襯底的孔越小，石墨烯在高壓下的彈性越大。

麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系副教授Rohit Karnik表示，該團(tuán)隊(duì)的結(jié)果今天在Nano Letters雜志上報(bào)道，是設(shè)計(jì)堅(jiān)韌的石墨烯基膜的指南，特別適用于脫鹽等應(yīng)用，其中濾膜必須承受高壓流動(dòng)以有效地從海水中去除鹽。

我們?cè)谶@里展示石墨烯有可能推動(dòng)高壓膜分離的界限，如果石墨烯基膜能夠在高壓下進(jìn)行海水淡化，那么它在高鹽度下為高效節(jié)能的海水淡化開辟了許多有趣的可能性。

現(xiàn)有的膜通過反滲透對(duì)水進(jìn)行脫鹽，這種過程是通過向包含鹽水的膜的一側(cè)施加壓力以將純水推過膜，同時(shí)防止鹽和其他分子通過。

許多商業(yè)膜在約50至80巴的施加壓力下使水脫鹽，超過該壓力它們傾向于變得致密或性能受損。如果膜能夠承受100巴或更高的更高壓力，那么它們將通過回收更多的淡水而使海水更有效的脫鹽。高壓膜也可能能夠凈化非常咸的水，例如脫鹽的剩余鹽水，這通常太濃以致膜不能通過純水。

很明顯，水源壓力不會(huì)很快消失，淡化是淡水的主要來源。在能源方面，反滲透是脫鹽最有效的方法之一。如果膜能夠在更高的壓力下運(yùn)行，這將在高能效下實(shí)現(xiàn)更高的水回收率。

科學(xué)家們進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，以了解他們可以推動(dòng)石墨烯的耐壓能力。先前的模擬已經(jīng)預(yù)測(cè)放置在多孔載體上的石墨烯可以在高壓下保持完整。然而，直到現(xiàn)在還沒有直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)支持這些預(yù)測(cè)。

研究人員使用稱為化學(xué)氣相沉積的技術(shù)生長(zhǎng)石墨烯片，然后將單層石墨烯置于多孔聚碳酸酯薄片上。每張紙都設(shè)計(jì)有特定尺寸的孔，直徑范圍從30納米到3微米。

為了衡量石墨烯的堅(jiān)固性，研究人員集中研究了他們稱之為“微膜”石墨烯懸浮在下面基板孔隙的區(qū)域，類似于躺在瑞士奶酪孔上的細(xì)網(wǎng)。

科學(xué)家將石墨烯 - 聚碳酸酯膜置于腔室的中間，上半部分泵入氬氣，使用壓力調(diào)節(jié)器控制氣體的壓力和流量。研究人員還測(cè)量了腔體下半部分的氣體流速，推斷出下半部分流速的任何增加都表明石墨烯薄膜的一部分由于上半部分產(chǎn)生的壓力而失效或“爆裂”的房間。

他們發(fā)現(xiàn)，放置在200納米寬或更小的孔隙上的石墨烯可承受100巴的壓力 - 幾乎是海水淡化中常見壓力的兩倍。隨著底層孔隙的尺寸減小，研究人員觀察到保持完好的微膜數(shù)量增加?？峥苏f，這種孔徑對(duì)決定石墨烯的堅(jiān)固性至關(guān)重要。

石墨烯就像一座懸索橋，施加的壓力就像站在橋上的人一樣。如果五個(gè)人可以站在一座短橋上，那么重量或者壓力就可以。但如果用同一根繩子制造的橋梁懸掛在更大的距離上，它會(huì)承受更多的壓力，因?yàn)橛懈嗟娜苏驹谒厦妗?/p>

換句話說，石墨烯可以耐受高壓，同時(shí)有選擇地濾除海水中的水分？作為回答這個(gè)問題的第一步，該團(tuán)隊(duì)制造了納米多孔石墨烯作為非常簡(jiǎn)單的石墨烯過濾器。研究人員利用他們以前開發(fā)的一種技術(shù)在石墨烯片上蝕刻納米尺寸的孔隙。然后他們暴露這些床單增加壓力。

一般來說，他們發(fā)現(xiàn)石墨烯中的皺紋與微膜是否爆裂無關(guān)，不管施加的壓力如何。即使在低至30巴的壓力下，沿皺紋放置的多孔石墨烯的部分也會(huì)失敗或爆裂，而未皺紋的部分在高達(dá)100巴的壓力下保持完整。同樣，即使在起皺的區(qū)域，多孔石墨烯中的微膜也越有可能存活下來的基底孔隙越小。

總體而言，這項(xiàng)研究告訴我們，單層石墨烯具有承受極高壓力的潛力，而且100個(gè)柱不是極限 - 從某種意義上說它是舒適的，只要石墨烯坐落的孔徑足夠小，我們的研究提供了關(guān)于如何針對(duì)不同的應(yīng)用和壓力范圍設(shè)計(jì)石墨烯膜和支撐的指南。

加州大學(xué)伯克利分校土木與環(huán)境工程助理教授巴薩米說，石墨烯被公認(rèn)為世界上最強(qiáng)的材料之一。直到現(xiàn)在，多孔石墨烯是否能表現(xiàn)出相似的強(qiáng)度還不確定。

這項(xiàng)研究可以肯定[石墨烯]在過濾，化學(xué)/制藥分離，水凈化和脫鹽方面的潛在應(yīng)用。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)還需要克服更多的挑戰(zhàn)，例如在石墨烯上創(chuàng)建小而均勻的孔隙并能夠擴(kuò)大規(guī)模。如果成功，這項(xiàng)技術(shù)將成為海水淡化的一個(gè)神跡。