小烯导读

石墨烯是一种导电导热性能超强的新型二维纳米材料。在最新的基于石墨烯的创新中，美国麻省理工学院工程师团队利用这种材料研发出一种新型膜材料，可以过滤溶液中的纳米级分子，速度比目前的透析系统快10倍以上，从而彻底改变了透析过程。

在通常的意义上，透析（dialysis）是通过小分子经过半透膜扩散到水（或缓冲液）的原理，将小分子与生物大分子分开的一种分离纯化技术。 透析疗法是使体液内的成分（溶质或水分）通过半透膜排出体外的治疗方法，一般可分为血液透析和腹膜透析两种。除过血液透析，科学家还利用透析来净化药物，从化学溶液中除去残留物，隔离分子进行医学诊断，透析所使用的材料通常是多孔的半透膜。

目前商业上使用的透析膜是一类不带电荷的多孔膜，目前主要用于人工肾的透析。常用的制备材料有铜氨法再生纤维素、醋酸纤维素、聚丙烯腈、乙烯-乙烯醇共聚物以及聚甲基丙烯酸甲酯、聚砜、聚丙烯酰胺等。现有的商业透析膜分离速率比较慢，部分原因是由于它们的组成：它们相对比较厚，并且通过这种致密膜穿孔的孔在绕组路径上这样做，使得靶分子难以快速通过。

图 MIT石墨烯渗透膜的制备过程示意图1）在铜箔上生长出的石墨烯被压在聚碳酸酯的基板上。 2）聚碳酸酯可从铜箔上剥离出石墨烯。 3）利用界面聚合技术，研究人员封闭填补石墨烯中的较大裂缝和缺陷。 4）使用氧等离子体刻蚀，在石墨烯中得到特定尺寸的孔。

近日消息，麻省理工学院的工程师利用单层碳原子组成的材料——石墨烯为原料制备出了可用于透析的功能性膜。这片膜的尺寸大概有指甲大小，厚度小于1纳米。（现有最薄透析膜大概有20纳米厚）。这种新型透析膜能够从水溶液中过滤掉纳米级分子，速度比现有技术的膜快10倍。如果只靠考虑石墨烯材料本身，新型渗透膜的过滤速率还可再提高10倍。

尽管石墨烯在电子学领域的应用已被大量探索，但是，麻省理工学院机械工程系博士后Piran Kidambi表示，该研究小组的研究结果表明，石墨烯可以改善膜技术，特别是对于实验室规模的分离过程和潜在的血液透析。

“因为石墨烯太薄了，扩散会非常快，”Kidambi说。在分离出另一面之前，一个分子不必做这么麻烦的工作，就是在一个厚膜上经过这些曲折的毛孔，将石墨烯移动到这种生物分离状态是非常令人兴奋的。该研究成果发表在《Advance Materials》杂志上。

为了进一步提高石墨烯膜的性能，该团队计划在高聚碳酸酯基底上蚀刻空隙来增加膜的整体渗透率。由于目前做测试的石墨烯膜尺寸仅为1平方厘米，因此研究团队还致力于进一步扩大膜的尺寸。此外，进一步进行氧等离子体处理制造出更多的小孔也可以改善膜的性能。

石墨烯材料目前已经在电气电子等领域得到了广泛应用，而MIT研究人员的研究成果有望为石墨烯在医疗、物质过滤和水净化等领域的应用打下基础。

论文信息：

Nanoporous Atomically Thin Graphene Membranes for Desalting and Dialysis Applications, Advanced Materials (2017). DOI: 10.1002/adma.201700277