蘭州化物所等在石墨烯納米孔分離方面取得進(jìn)展

　　石墨烯作為二維碳納米材料，被廣泛應(yīng)用于能源電子、生物醫(yī)藥和化工材料等領(lǐng)域。目前，多位科學(xué)家根據(jù)理論計(jì)算預(yù)言石墨烯將有可能作為一種單原子層過(guò)濾膜用于海水淡化、污水處理、能源電池領(lǐng)域。

　　近日，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所研究員邱洪燈帶領(lǐng)的“百人計(jì)劃”研究團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所、蘭州大學(xué)等單位合作，利用重離子加速器輻照PET基單層石墨烯膜并結(jié)合化學(xué)蝕刻技術(shù)，成功制備出可用于水溶液中無(wú)機(jī)金屬離子分離的多孔石墨烯分離膜，研究了電場(chǎng)、酸度及溫度等因素對(duì)無(wú)機(jī)金屬離子的選擇性分離的影響，并結(jié)合密度泛函理論對(duì)分離過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算。研究表明，石墨烯納米孔對(duì)金屬離子的高選擇性源于納米孔周圍的羧基帶來(lái)的離子交換作用。該工作為多孔石墨烯分離膜的制備及石墨烯納米孔的應(yīng)用提供了新的思路。研究結(jié)果發(fā)表在美國(guó)《分析化學(xué)》雜志（Analytical Chemistry, 2016, DOI: 10.1021/acs.analchem.6b02175）上。

　　此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)，石墨烯納米孔對(duì)于一價(jià)堿金屬離子的過(guò)濾順序與這些金屬離子通過(guò)細(xì)胞膜的順序(Rb+ > K+ > Cs+ > Na+ > Li+)驚人地相似，這說(shuō)明石墨烯納米孔具有類似細(xì)胞膜鉀離子通道的功能。同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)石墨烯在高鹽度和酸度的環(huán)境中可以自發(fā)卷曲為類細(xì)胞尺度、結(jié)構(gòu)的單層膠囊或單壁納米管，吸附磷脂的石墨烯則能形成類似細(xì)胞的雙層結(jié)構(gòu)膠囊，這種結(jié)構(gòu)高度類似于現(xiàn)有細(xì)胞結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步研究證實(shí)，石墨烯可優(yōu)先吸附左旋氨基酸。更為重要的是通過(guò)計(jì)算表明，石墨烯卷曲成的納米管具有類似核酸的阿爾法螺旋結(jié)構(gòu)。根據(jù)這些研究推測(cè)，閃電高溫形成的石墨烯落入原始高酸度高鹽度的海洋中，自發(fā)卷曲為類細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，隨后在選擇性吸附米勒實(shí)驗(yàn)中形成的左旋氨基酸，促使了原始蛋白在石墨烯表面的合成。同時(shí)隨著含磷化合物的出現(xiàn)，石墨烯進(jìn)一步促使了核酸的形成，進(jìn)而演化成為原始細(xì)胞。相關(guān)工作發(fā)表在《科學(xué)報(bào)告》雜志(Scientific Reports, 2015, 5, 10258) 上。

　　以上工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、甘肅省杰出青年基金及蘭州化物所“一三五”重點(diǎn)培育項(xiàng)目的資助。

PET基單層石墨烯膜納米孔及分離機(jī)理示意圖