寧波材料所在聚合誘導單體穿透單層石墨烯研究方面取得進展

2020-12-07 中國科學院

　　石墨烯為單層平面碳原子以sp2雜化方式緊密結合在一起形成的二維原子晶體，是有望製備同時具有高滲透率和高選擇性分離滲透膜的理想材料，因此研究有機分子通過石墨烯的行為具有非常重要的意義。儘管文獻中提出了許多理論預測，但由於沒有任何缺陷的石墨烯對所有原子和分子大部分是不可穿透的，相當於高阻隔的「金鐘罩」，因而現實中關於有機分子通過石墨烯的實驗證據相當稀少。理論上預測，即使對於具有Stone-Wales缺陷的化學氣相沉積（CVD）石墨烯，氦氣分子也是無法透過的。

　　針對此，最近，德國德勒斯登工業大學教授Rainer Jordan課題組博士張濤及中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員陳濤課題組等多家單位的研究人員通過實驗及理論預測提出了一個新思路，即表面引發可控自由基聚合可以誘導乙烯基單體作為「倚天劍」穿透單層石墨烯這一「金鐘罩」（Nat. Commun. 2018, 9, 4051）。在他們的研究中，引發劑可以選擇性地鍵合到固體基體表面用以驅動單體的運動和後續補充。在單層CVD石墨烯將引發劑和單體隔離的條件下，證明了各種尺寸的乙烯基單體在引發劑的驅動下可以穿過單層CVD石墨烯並成功實現表面引發聚合。他們的研究發現，這是由於只有原子層厚度的石墨烯無法阻擋自由基引發劑和單體之間（以及催化劑）的庫侖作用力，從而實現引發劑在石墨烯另一端對單體的驅動和遷移。同時，可控自由基聚合的特性使得單體可以穩定的速率連續地被輸送到石墨烯的另一端，並在石墨烯覆蓋的表面得到聚合物分子刷（如圖）。最終，通過研究石墨烯覆蓋的聚合物分子刷厚度和形貌可以計算多類型的單體通過單層石墨烯的行為和速率。

　　最終結果表明，各種尺寸的中性單體能夠在可控自由基聚合的驅動下順利通過單層自帶缺陷位點的CVD石墨烯，並且CVD石墨烯的天然缺陷由於單體的穿過而大大增加，然而，由於電荷的相互作用，帶正或負電荷的單體在穿過石墨烯時被嚴重阻隔，速度相當慢。有意思的是，當採用微圖案化的引發劑陣列時，陰離子單體在被誘導在穿透石墨烯單層膜時能夠選擇性地將石墨烯切割成各種預先設定的大小微觀圖案，進而獲得圖案化的聚合物刷。通過對分子施加外部驅動力，可以實現分子量較大的聚合單體等有機分子通過單層CVD石墨烯，並且分子的電荷對穿透行為的影響大於分子本身的大小。這些研究為單層石墨烯的可穿透性提供了新的證據，也為其作為分子篩的潛在應用方面提供了新的思路。

　　以上工作得到國家留學基金委、國家自然科學基金（51573203）、中科院前沿科學重點研究項目（QYZDB-SSW-SLH036）以及中科院海洋新材料與應用技術重點實驗室等的資助。

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表面引發可控自由基聚合誘導單體穿透石墨烯

　　石墨烯為單層平面碳原子以sp2雜化方式緊密結合在一起形成的二維原子晶體，是有望製備同時具有高滲透率和高選擇性分離滲透膜的理想材料，因此研究有機分子通過石墨烯的行為具有非常重要的意義。儘管文獻中提出了許多理論預測，但由於沒有任何缺陷的石墨烯對所有原子和分子大部分是不可穿透的，相當於高阻隔的「金鐘罩」，因而現實中關於有機分子通過石墨烯的實驗證據相當稀少。理論上預測，即使對於具有Stone-Wales缺陷的化學氣相沉積（CVD）石墨烯，氦氣分子也是無法透過的。
　　針對此，最近，德國德勒斯登工業大學教授Rainer Jordan課題組博士張濤及中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員陳濤課題組等多家單位的研究人員通過實驗及理論預測提出了一個新思路，即表面引發可控自由基聚合可以誘導乙烯基單體作為「倚天劍」穿透單層石墨烯這一「金鐘罩」（Nat. Commun. 2018, 9, 4051）。在他們的研究中，引發劑可以選擇性地鍵合到固體基體表面用以驅動單體的運動和後續補充。在單層CVD石墨烯將引發劑和單體隔離的條件下，證明了各種尺寸的乙烯基單體在引發劑的驅動下可以穿過單層CVD石墨烯並成功實現表面引發聚合。他們的研究發現，這是由於只有原子層厚度的石墨烯無法阻擋自由基引發劑和單體之間（以及催化劑）的庫侖作用力，從而實現引發劑在石墨烯另一端對單體的驅動和遷移。同時，可控自由基聚合的特性使得單體可以穩定的速率連續地被輸送到石墨烯的另一端，並在石墨烯覆蓋的表面得到聚合物分子刷（如圖）。最終，通過研究石墨烯覆蓋的聚合物分子刷厚度和形貌可以計算多類型的單體通過單層石墨烯的行為和速率。
　　最終結果表明，各種尺寸的中性單體能夠在可控自由基聚合的驅動下順利通過單層自帶缺陷位點的CVD石墨烯，並且CVD石墨烯的天然缺陷由於單體的穿過而大大增加，然而，由於電荷的相互作用，帶正或負電荷的單體在穿過石墨烯時被嚴重阻隔，速度相當慢。有意思的是，當採用微圖案化的引發劑陣列時，陰離子單體在被誘導在穿透石墨烯單層膜時能夠選擇性地將石墨烯切割成各種預先設定的大小微觀圖案，進而獲得圖案化的聚合物刷。通過對分子施加外部驅動力，可以實現分子量較大的聚合單體等有機分子通過單層CVD石墨烯，並且分子的電荷對穿透行為的影響大於分子本身的大小。這些研究為單層石墨烯的可穿透性提供了新的證據，也為其作為分子篩的潛在應用方面提供了新的思路。
　　以上工作得到國家留學基金委、國家自然科學基金（51573203）、中科院前沿科學重點研究項目（QYZDB-SSW-SLH036）以及中科院海洋新材料與應用技術重點實驗室等的資助。
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表面引發可控自由基聚合誘導單體穿透石墨烯

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