分離性能超商業膜10倍，MIT開發石墨烯膜可用於血液透析

編譯 | 張愉涵

精彩導讀

沒有不好的技術，而是技術的最終用途決定了這項技術是否是你所需要的。這句話是一位將石墨烯用於製作分離膜的科學家所說的。在電子領域，石墨烯材料的缺陷限制了它的應用，而在分離膜領域卻發揮了重要作用。用石墨烯製作的分離膜比現有的商業分離膜性能好上10倍，在血液透析方面有著重要應用前景。

通俗地說，透析就是一種溶液中的分子跨過一定的膜結構擴散到濃度更小的另一種溶液中的過程。目前，透析在醫藥化學行業應用頗多，通過只允許特定大小的分子物質透過多孔膜來實現血液透析、藥物凈化、去除溶液中殘留物以及醫學診斷等等。

目前的商業化透析膜普遍相對較厚，緻密膜上的孔隙路徑相對蜿蜒，阻礙了分子的快速通過，在一定程度上使得這些膜的濾過速率較慢。

比商業膜快10倍

最近，麻省理工學院的工程師們用石墨烯製作出了一種新型功能性透析膜，厚度不足1納米。相較之下，目前最薄的透析膜也有20納米厚。這種新型薄膜可以用於過濾水溶液中納米級分子，過濾速度也比現有的透析膜快10倍。

目前石墨烯在電子領域的應用已經取得了很大的成就，但麻省理工學院機械工程系博士後PiranKidambi表示，他們的研究結果表明石墨烯同樣可以提升膜技術，特別是針對實驗室級別的分離過程，甚至還能用於血液透析。

「因為這種石墨烯膜很薄，擴散就會進行得非常快，」Kidambi表示，「分子在進入另外一種溶液之前，無需通過那些孔隙所形成的彎曲通道。」

製備石墨烯膜

為了製備出這種石墨烯膜，研究人員首先使用了一種常用的化學氣相沉積技術（CVD），在銅箔上生長石墨烯。然後，他們小心地蝕刻掉銅並將石墨烯轉移到聚碳酸酯的支撐片上。這時石墨烯上面布滿了小孔，只允許那些已經穿過的分子通過。聚碳酸酯作為支架，可以防止超薄石墨烯自身發生捲曲。

第一步，在銅箔上生長石墨烯；第二步，將石墨烯轉移到聚碳酸酯支架上；第三步，利用界面聚合修補石墨烯；第四步，在氧等離子體中蝕刻小孔。 圖片來源：MIT

研究人員希望將石墨烯轉化為選擇性分子篩，只允許一定大小的分子通過。為了實現這一點，它們將石墨烯暴露於氧等離子體中，從而在石墨烯中產生微小的孔隙。

Kidambi說：「通過調節氧等離子體的參數，我們可以控制孔隙的密度和尺寸。在這個過程中，氧自由基與石墨烯中的碳原子發生碰撞，並迅速發生反應，最終以二氧化碳的形式逸出。」而這個碳原子原來的位置就變成石墨烯中的一個小孔。Kidambi和他的同事發現，石墨烯暴露於氧等離子體中的時間越長，所產生的孔隙就越大越密集。而相對較短的暴露時間，約45~60秒，則會產生非常小的孔。

大一點兒也不行

研究人員測試了具有不同孔大小和孔分布的多種石墨烯膜，將每個膜放置在擴散室的中間，然後用含有不同大小分子的各種混合物作為待分離物填充腔室的一側，分子大小從氯化鉀（0.66納米）到維生素B12（1至1.5納米），再到溶菌酶（4納米）等。腔室的另一側則裝有濃度較低的溶液。

然後，該團隊測量了分子擴散穿過每種石墨烯膜的流速。結果表明，孔非常小的膜可以讓較小的分子通過，比如說氯化鉀。但再大一點的分子就無法通過了，L-色氨酸僅比氯化鉀寬0.2納米，就過不去。而具有更大孔隙的膜便可以相應地讓稍大的分子通過。

該團隊用現在市場上的商業透析膜進行了類似的實驗，發現相比之下，石墨烯膜以更高的「滲透性」進行滲析，目標分子分離過濾速度比商業透析膜要快10倍。

Kidambi指出，聚碳酸酯支撐片上被蝕刻的孔隙僅占其表面積的10％，這限制了最終通過兩層的目標分離分子的數量。「但即使只有10％，它的性能也比目前最先進的商業分離膜要好。」

「令人興奮的是，這種材料在電子領域的缺陷實際上卻是在膜滲析領域的優點。」Kidambi 表示，「在電子領域，你得盡量減少材料缺陷，而在膜分離領域你反倒希望製備出合適大小的缺陷。也就是說，沒有不好的技術，而是技術的最終用途決定了這項技術是否是你所需要的，這才是問題的關鍵。」

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