纳米科学：研究人员从石墨烯的不完美形式中创造出完美的纳米卷！

未来的水过滤器可以由数十亿个基于石墨烯的微小纳米卷制成。通过卷起单个原子厚度的石墨烯层制成的每个卷轴可以定制，以捕获紧密缠绕的折叠中的特定分子和污染物。数十亿个这些卷轴逐层堆叠，可以生产出轻质，耐用且高度选择性的水净化膜。

但有一个问题：石墨烯并不便宜。该材料卓越的机械和化学性能是由于其非常规则的六边形结构，类似于微观鸡丝。科学家们非常努力地保持石墨烯的纯净，无瑕疵的形式，使用昂贵且耗时的工艺，并严重限制石墨烯的实际用途。

寻求替代方案，来自麻省理工学院和哈佛大学的团队正在寻求氧化石墨烯-石墨烯更便宜，不完美的形式。氧化石墨烯是石墨烯，其也被氧和氢基团覆盖。如果石墨烯在露天放置，那么材料基本上就是石墨烯。该团队制造了由氧化石墨烯薄片制成的纳米卷，并且能够使用低频和高频超声技术控制每个纳米卷的尺寸。研究人员表示，这些卷轴具有与石墨烯相似的机械性能，而且它们的成本只是成本的一小部分。

麻省理工学院机械工程系的研究生ItaiStein说：“如果你真的想要建立一个工程结构，那么使用石墨烯是不切实际的。”“氧化石墨烯的价格便宜两到四个数量级，通过我们的技术，我们可以调整这些架构的尺寸，为工业打开一扇窗户。”

斯坦说，除水过滤器外，氧化石墨烯纳米卷还可用作超轻化学传感器，给药载体和储氢平台。哈佛大学的研究生Stein和CarloAmadei在纳米科学杂志上发表了他们的研究成果。

该团队的论文最初源于麻省理工学院的课程，2.（微/纳米工程），由机械工程副教授RohitKarnik教授。作为最终项目的一部分，Stein和Amadei联手设计了氧化石墨烯纳米卷。Amadei作为哈佛大学ChadVecitis教授实验室的成员，一直致力于氧化石墨烯的水净化应用，而Stein正在试验碳纳米管和其他纳米级结构，作为由BrianWardle领导的小组的一部分。麻省理工学院的航空航天学。

我们最初的想法是制造用于分子吸附的纳米卷，”Amadei说。“与封闭结构的碳纳米管相比，纳米卷是开放的螺旋形，所以你可以利用所有这些表面区域进行操作。

你可以调整纳米卷层的分离，并用氧化石墨烯做各种各样的整洁的东西，你不能用纳米管和石墨烯本身，”Stein补充道。

当他们看到此前在该领域所做的工作时，学生们发现科学家们已经成功地从石墨烯中生产纳米卷，尽管这些工艺非常复杂，以保持材料纯净。一些研究小组曾试图用石墨烯氧化物做同样的事情，但他们的尝试确实被贬低了。

文献中的内容更像是皱巴巴的石墨烯，”斯坦说。“你无法真正看到圆锥形的本质。目前还不清楚是什么造成的。

Stein和Amadei首先使用一种称为Hummers方法的常用技术将石墨片分离成单独的氧化石墨烯层。然后，他们将石墨烯氧化物薄片放入溶液中，并使用两种类似的方法刺激薄片卷曲成卷轴：低频尖端超声波发生器和高频定制反应器。

尖端超声波发生器是由压电材料制成的探头，当施加电压时，该探头以20kHz的低频率振荡。当放置在溶液中时，尖端超声波发生器会产生声波，激发周围环境，在溶液中产生气泡。

类似地，该组的电抗器包含连接到电路的压电元件。当施加电压时，与在反应器内的溶液中产生气泡的尖端超声波发生器相比，反应器以更高的kHz频率振荡。

Stein和Amadei将这两种技术应用于石墨烯氧化物薄片的溶液并观察到类似的效果：溶液中产生的气泡最终坍塌，释放能量，导致薄片自发卷曲成卷轴。研究人员发现，他们可以通过改变超声波的治疗持续时间和频率来调整卷轴的尺寸。更高的频率和更短的处理不会导致氧化石墨烯薄片的显着损坏并产生更大的卷轴，而低频率和更长的处理时间倾向于将薄片分开并产生更小的卷轴。

虽然该集团的初步实验将相对较少数量的薄片（约10％）转化为卷轴，但Stein表示，这两种技术可能会进行优化以产生更高的产量。如果可以扩大规模，他说这些技术可以与现有的工业流程兼容，特别是对于水净化。

斯坦说：“如果你可以大规模制造并且价格便宜，你可以制作大量的过滤器样品并将它们扔出水中以去除各种污染物。