石墨烯为单层平面碳原子以sp2杂化方式紧密结合在一起形成的二维原子晶体,是有望制备同时具有高渗透率和高选择性分离渗透膜的理想材料,因此研究有机分子通过石墨烯的行为具有非常重要的意义。尽管文献中提出了许多理论预测,但由于没有任何缺陷的石墨烯对所有原子和分子大部分是不可穿透的,相当于高阻隔的“金钟罩”,因而现实中关于有机分子通过石墨烯的实验证据相当稀少。理论上预测,即使对于具有Stone-Wales缺陷的化学气相沉积(CVD)石墨烯,氦气分子也是无法透过的。
针对此,最近,德国德累斯顿工业大学的Rainer Jordan教授课题组张涛博士及中国科学院宁波材料技术与工程研究所陈涛研究员课题组等多家单位的研究人员通过实验及理论预测提出了一个新思路,即表面引发可控的可控自由基聚合可以来诱导乙烯基单体作为“倚天剑”穿透单层石墨烯这一“金钟罩”(Nat. Commun. 2018, 9, 4051: https://www.nature.com/articles/s41467-018-06599-y.pdf)。在他们的研究中,引发剂可以选择性地键合到固体基体表面用以驱动单体的运动和后续补充。在单层CVD石墨烯将引发剂和单体隔离的条件下,证明了各种尺寸的乙烯基单体在引发剂的驱动下可以穿过单层CVD石墨烯并成功实现表面引发聚合。他们的研究发现,这是由于只有原子层厚度的石墨烯无法阻挡自由基引发剂和单体之间(以及催化剂)的库仑作用力,从而实现了引发剂在石墨烯另一端对单体的驱动和迁移。同时,可控自由基聚合的特性使得单体可以稳定的速率连续地被输送到石墨烯的另一端,并在石墨烯覆盖的表面得到聚合物分子刷(如图1)。最终,通过研究石墨烯覆盖的聚合物分子刷厚度和形貌可以计算多类型的单体通过单层石墨烯的行为和速率。
最终结果表明,各种尺寸的中性单体能够在可控自由基聚合的驱动下顺利通过单层自带缺陷位点的CVD石墨烯,并且CVD石墨烯的天然缺陷由于单体的穿过而大大增加,然而,由于电荷的相互作用,带正或负电荷的单体在穿过石墨烯时被严重阻隔,速度相当慢。有意思的是,当采用微图案化的引发剂阵列时,阴离子单体在被诱导在穿透石墨烯单层膜时能够选择性地将石墨烯切割成各种预先设定的大小微观图案,进而获得图案化的聚合物刷。通过对分子施加外部驱动力,可以实现分子量较大的聚合单体等有机分子通过单层CVD石墨烯,并且分子的电荷对穿透行为的影响大于分子本身的大小。这些研究为单层石墨烯的可穿透性提供了新的证据,也为其作为分子筛的潜在应用方面提供了新的思路。
以上工作得到了国家留学基金委、国家自然科学基金(51573203)、中科院前沿科学重点研究项目(QYZDB-SSW-SLH036)以及中科院海洋新材料与应用技术重点实验室等的资助。
图1 表面引发可控自由基聚合诱导单体穿透石墨烯
科技日报北京1月24日电(记者冯卫东)据《物理学家组织网》近日报道,韩国科学技术研究院(KIST)研发出的超快脉冲激光器产生的频率要比目前最先进的脉冲激光器高出1万倍。这是通过将包含石墨烯的附加谐振器......
近日,中科院青岛生物能源与过程研究所研究员崔球带领的代谢物组学研究组和天津科技大学的相关科研人员合作,以水溶性广谱抗生素——盐酸四环素为模型药物,基于前期对CNF和聚多巴胺(P......
石墨烯纳米带(GNR)的性质在很大程度上取决于其宽度,长度和边缘结构。现有用于合成GNR的自下而上的方法无法同时实现对这三个参数的控制,并且由于分步聚合的性质,长度控制特别具有挑战性。2019年6月2......
2020年10月25日,石墨烯产业与技术发展路线图研究项目开题会在北京稻香湖景酒店召开。项目首席科学家、中国科学院院士、北京大学教授、北京石墨烯研究院副院长张锦主持会议。中国化学会副理事长、九三学社中......
石墨烯具有二维薄层结构,是一种具有潜力的新型润滑材料。近年来的研究表明,具有原子厚度的石墨烯在微观接触尺度下具有超滑特性,在宏观接触方式下展现出摩擦学特性,但是均依赖于理想的石墨烯表界面结构。因此,实......
手性分离是分离科学面临的挑战,现有手性分离主要依赖色谱柱分离技术,而膜技术在手性分离中的应用难度大,发展也相对缓慢。有文献报道称,通过模拟计算表明具有一定结构的纳孔石墨烯有望用于高选择性对映体的分离。......
石墨烯又被称为“黑金”、“新材料之王”,被誉为改变21世纪的“神奇材料”,不仅在航空航天、太阳能利用、纳米、电子学、生物医疗、复合型材料等领域有广泛运用,而且在我们服饰、日用品等也独具商业应用潜能。2......
由于石墨烯等二维范德瓦尔斯材料层间相互作用非常弱,容易解理并堆垛形成各种人工异质或同质结构。当堆垛的两层之间有微弱的晶格差异或微小的转角时,就会形成摩尔(moiré)图案。近期研究发现这些二维异质结或......
压力过度——21世纪的全球性流行疾病世界卫生组织(WorldHealthOrganization,WHO)近年已经将压力过度定义为21世纪新的全球流行病1。研究数据显示,全球约有10.7%的人口被抑郁......
春寒料峭之际,武汉气温呈断崖式下跌。为了避免交叉感染,保证通风条件,武汉一线医护人员无法在工作、休息区域开启空调加温。他们身着憋闷的防护服,衣服汗潮极易受凉,这是抗疫医疗人员面临的一个难题。日前,厦门......