未來(lái)海水或能迅速淡化成飲用水
水，不論是對(duì)動(dòng)物還是植物而言，都非常重要。沒有水，生命的延續(xù)會(huì)受到極大影響。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增加，我們對(duì)水的需求也越來(lái)越大，然而地球上的淡水資源非常有限，會(huì)不會(huì)有一天被消耗殆盡？
地球四分之三的面積被海洋所覆蓋，面對(duì)如此巨大的水資源儲(chǔ)量，科學(xué)家們也動(dòng)過(guò)腦筋—因?yàn)闈舛冗^(guò)高以及雜質(zhì)不少，海水無(wú)法被直接利用。但在近日出版的《科學(xué)》雜志上，一課題組在氧化石墨烯薄膜快速篩選離子研究方面，取得了突破性進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)了其具有精密快速篩選離子的性能。這一成果有望在海水淡化領(lǐng)域獲得應(yīng)用。
擁有精密快速的篩選功能
石墨烯是一種神奇的材料，有著一些獨(dú)特的特性，近幾年備受科學(xué)家青睞。比如它優(yōu)良的導(dǎo)電性，讓人們?cè)诰w管領(lǐng)域很看好它們。它幾乎完全透明，在太陽(yáng)能電池或觸屏方面或許大有作為。不過(guò)，石墨烯與水之間有什么樣的相互作用，人們了解得并不透徹。據(jù)了解，石墨烯表面是排斥水的，但浸入到水中的石墨烯薄膜里的毛細(xì)通道，卻允許水的快速滲透。
最新合作研究表明，水環(huán)境中的氧化石墨烯薄膜在水合作用下，會(huì)形成約0.9納米寬的毛細(xì)通道，只有水合半徑小于或等于0.45納米的離子或分子才能通過(guò)，半徑大于0.45納米的離子或分子，則會(huì)被完全阻隔在另一側(cè)。這種篩選效應(yīng)不僅對(duì)離子尺寸要求非常精準(zhǔn)，而且比經(jīng)典的濃度擴(kuò)散快上千倍。
這一最新的研究成果，是由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院近代力學(xué)系材料力學(xué)行為和設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的吳恒安教授、王奉超博士，與英國(guó)曼徹斯特大學(xué)、2010年諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者安德烈·海姆教授課題組合作完成的。
吳恒安教授告訴記者，他們?cè)谶@項(xiàng)工作中作出的主要貢獻(xiàn)，是用理論分析和分子模擬，研究了石墨烯納米通道快速過(guò)濾離子的機(jī)理。計(jì)算機(jī)模擬工作表明，石墨烯與離子之間的相互作用，會(huì)使離子在納米通道中聚集，從而形成更高的濃度梯度。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出了合理解釋，也被稱為“離子海綿效應(yīng)”。
或能應(yīng)用于淡化海水
0.9納米的毛細(xì)通道到底有多細(xì)？吳恒安教授回答了記者的疑問。
“0.9nm的通道可以通過(guò)水和小離子，比如NaCl等，阻止更大的離子。”他表示，因此目前的氧化石墨烯薄膜，暫時(shí)還無(wú)法過(guò)濾掉海水中的鹽分。“目前的想法是采取特殊的辦法，進(jìn)一步壓縮薄膜中的毛細(xì)通道尺寸，讓通道變窄，阻止NaCl通過(guò)，但這還只是一個(gè)設(shè)想。我們所做的這個(gè)工作，只是朝海水淡化邁進(jìn)了一步。”
合作者之一伊琳娜·戈里古力娃博士表示，如果這一設(shè)想能夠?qū)崿F(xiàn)，意味著制造一個(gè)在幾分鐘內(nèi)，即可將一杯海水淡化成飲用水的過(guò)濾裝置，已不再只是科幻小說(shuō)場(chǎng)景。
《科學(xué)》雜志也專門對(duì)這項(xiàng)研究成果進(jìn)行了展望評(píng)述，認(rèn)為這一發(fā)現(xiàn)能夠使得氧化石墨烯薄膜，在眾多分離應(yīng)用中具有重要意義，例如在海水淡化與凈化、傳感技術(shù)及能源轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。
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