納米科學：研究人員從石墨烯的不完美形式中創造出完美的納米卷！
未來的水過濾器可以由數十億個基於石墨烯的微小納米卷製成。通過捲起單個原子厚度的石墨烯層製成的每個捲軸可以定製，以捕獲緊密纏繞的摺疊中的特定分子和汙染物。數十億個這些捲軸逐層堆疊，可以生產出輕質，耐用且高度選擇性的水淨化膜。
但有一個問題：石墨烯並不便宜。該材料卓越的機械和化學性能是由於其非常規則的六邊形結構，類似於微觀雞絲。科學家們非常努力地保持石墨烯的純淨，無瑕疵的形式，使用昂貴且耗時的工藝，並嚴重限制石墨烯的實際用途。
尋求替代方案，來自麻省理工學院和哈佛大學的團隊正在尋求氧化石墨烯 - 石墨烯更便宜，不完美的形式。氧化石墨烯是石墨烯，其也被氧和氫基團覆蓋。如果石墨烯在露天放置，那麼材料基本上就是石墨烯。該團隊製造了由氧化石墨烯薄片製成的納米卷，並且能夠使用低頻和高頻超聲技術控制每個納米卷的尺寸。研究人員表示，這些捲軸具有與石墨烯相似的機械性能，而且它們的成本只是成本的一小部分。
麻省理工學院機械工程系的研究生Itai Stein說：「如果你真的想要建立一個工程結構，那麼使用石墨烯是不切實際的。」「氧化石墨烯的價格便宜兩到四個數量級，通過我們的技術，我們可以調整這些架構的尺寸，為工業打開一扇窗戶。」
斯坦說，除水過濾器外，氧化石墨烯納米卷還可用作超輕化學傳感器，給藥載體和儲氫平臺。哈佛大學的研究生Stein和Carlo Amadei在納米科學雜誌上發表了他們的研究成果。
該團隊的論文最初源於麻省理工學院的課程，2.675（微/納米工程），由機械工程副教授Rohit Karnik教授。作為最終項目的一部分，Stein和Amadei聯手設計了氧化石墨烯納米卷。Amadei作為哈佛大學Chad Vecitis教授實驗室的成員，一直致力於氧化石墨烯的水淨化應用，而Stein正在試驗碳納米管和其他納米級結構，作為由Brian Wardle領導的小組的一部分。麻省理工學院的航空航天學。
我們最初的想法是製造用於分子吸附的納米卷，」Amadei說。「與封閉結構的碳納米管相比，納米卷是開放的螺旋形，所以你可以利用所有這些表面區域進行操作。
你可以調整納米卷層的分離，並用氧化石墨烯做各種各樣的整潔的東西，你不能用納米管和石墨烯本身，」Stein補充道。
當他們看到此前在該領域所做的工作時，學生們發現科學家們已經成功地從石墨烯中生產納米卷，儘管這些工藝非常複雜，以保持材料純淨。一些研究小組曾試圖用石墨烯氧化物做同樣的事情，但他們的嘗試確實被貶低了。
文獻中的內容更像是皺巴巴的石墨烯，」斯坦說。「你無法真正看到圓錐形的本質。目前還不清楚是什麼造成的。
Stein和Amadei首先使用一種稱為Hummers方法的常用技術將石墨片分離成單獨的氧化石墨烯層。然後，他們將石墨烯氧化物薄片放入溶液中，並使用兩種類似的方法刺激薄片捲曲成捲軸：低頻尖端超聲波發生器和高頻定製反應器。
尖端超聲波發生器是由壓電材料製成的探頭，當施加電壓時，該探頭以20kHz的低頻率振蕩。當放置在溶液中時，尖端超聲波發生器會產生聲波，激發周圍環境，在溶液中產生氣泡。
類似地，該組的電抗器包含連接到電路的壓電元件。當施加電壓時，與在反應器內的溶液中產生氣泡的尖端超聲波發生器相比，反應器以更高的390kHz頻率振蕩。
Stein和Amadei將這兩種技術應用於石墨烯氧化物薄片的溶液並觀察到類似的效果：溶液中產生的氣泡最終坍塌，釋放能量，導致薄片自髮捲曲成捲軸。研究人員發現，他們可以通過改變超聲波的治療持續時間和頻率來調整捲軸的尺寸。更高的頻率和更短的處理不會導致氧化石墨烯薄片的顯著損壞並產生更大的捲軸，而低頻率和更長的處理時間傾向於將薄片分開並產生更小的捲軸。
雖然該集團的初步實驗將相對較少數量的薄片（約10％）轉化為捲軸，但Stein表示，這兩種技術可能會進行優化以產生更高的產量。如果可以擴大規模，他說這些技術可以與現有的工業流程兼容，特別是對於水淨化。
斯坦說：「如果你可以大規模製造並且價格便宜，你可以製作大量的過濾器樣品並將它們扔出水中以去除各種汙染物。