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              給石墨片加點氧,怎么就發Nature Materials了?

              關鍵詞 碳納米管 , 石墨石墨烯|2022-05-05 10:44:54|來源 高分子科學前沿
              摘要 要說給石墨片加點氧,還能發頂刊,各位小伙伴們可能以為小編說的是要做氧化石墨烯?但現如今已經是2022年了,所以并不是,咱氧化的是厚厚的石墨片,不是石墨烯。那么這是個什么故事呢?新世...

                     要說給石墨片加點氧,還能發頂刊,各位小伙伴們可能以為小編說的是要做氧化石墨烯?但現如今已經是2022年了,所以并不是,咱氧化的是厚厚的石墨片,不是石墨烯。那么這是個什么故事呢?
                     新世紀前后,碳納米管剛剛發現不久,各種研究如火如荼,在頂刊上出場頻率可以說一點也不比現如今的魔角雙層石墨烯、鈣鈦礦等等晚輩低。碰巧那時候水通道蛋白的晶體結構剛剛被解析出來(然后日常拿走了諾貝爾化學獎)。于是,腦洞比較大的一撥人開始琢磨是不是可以讓碳納米管來干通道蛋白干的事情呢?

                     比較早的時候,人們是在考慮碳納米管能不能做水的通道(水管)。由于那時候納米加工技術遠不如今天這么成熟,所以這種腦洞大開的想法還是比較適合做做計算。結果讓人直呼震驚:雖然碳納米管應該是疏水的,但水分子在里頭跑的速度非???,速度甚至不輸給水通道蛋白。而原因是,水分子在碳納米管里排成了一條直線,速度當然快。于是就發在了2001年的Nature上(Nature ,2001,414, 188–190)。

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                     這么有趣的現象(特別是還能發頂刊)立刻吸引了許多人的關注。其中就包括今天故事的主角,如今在法國巴黎高等師范學院(也在CNRS兼職)的Lydéric Bocquet教授。早年在表面浸潤性、流體力學等軟物質物理方面的研究背景,讓他很快就在這個方向上有所建樹。2010年,知名的Chemical Society Review雜志決定為這個被命名為Nanofluidics的新興領域做了一期???,邀請大佬們寫綜述,Lydéric Bocquet教授就是其中之一。

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                     時間來到2013年,Lydéric Bocquet教授把研究對象從碳納米管換成了氮化硼納米管,發表了他在這個方向上的第一篇正刊(Nature, 2013, 494, 455–458)。他們發現直徑30納米的氮化硼納米管,竟然還可以選擇性的讓陽離子通過,這在碳納米管中是無法想象的。其原因是,在實驗條件下,水分子能和氮化硼發生化學反應,使得氮化硼表面的實際電荷密度最高達到1 C/m2(每平方納米有9個電子)。

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                     2019年,Lydéric Bocquet教授打起了石墨/石墨烯的主意。他與合作者對比了用石墨片做的納米通道與由氮化硼片制備的納米通道中水、離子傳輸過程中的差異,發現它們都表現出類似晶體管一樣的門控效應,但響應的幅度相差非常打,其不同可以歸結于這兩種材料和溶液中的水分子、離子的摩擦力不同。

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                     看到這里,各位讀者應該不難發現,Lydéric Bocquet教授一直都在致力于探究納米通道的表面性質對水、離子在其中的輸運行為的影響。在最近的這篇Nature Materials中,他帶領的團隊想知道的問題是,經過氧化處理的石墨表面做的納米通道,和原始的石墨表面會由什么不同?

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                     他們用微納加工技術,在經過氧化處理和未經氧化處理的石墨表面加工出具有5-15納米深、數微米寬的通道,再覆蓋上一層石墨片,形成納米通道。上圖d中可以看到,經過氧化處理(activated)的石墨的拉曼譜上多了一個很明顯的D帶,說明氧化處理在sp2碳上引入了很多缺陷。

                     而之后的離子電導測量中可以看出,相同電解質濃度下,氧化處理的樣品離子電導(下圖e)明顯比未經過處理的樣品(下圖a)要高。通過對電導數據的分析,他們發現,氧化處理后的石墨表面表觀zeta電位最高將近2V,而未經處理的樣品表觀zeta電位總是低于100 mV。

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                     于是他們測試了用氧化活化后的石墨做的器件作為濃差電池的潛力,發現輸出功率甚至高達100 kW/m2,高于之前的絕大部分報道。

                     這些實驗結果讓他們更加確信了納米通道表面,特別是所帶電荷的數量,對于通道內部離子和水的輸運有著巨大的影響。

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                     相信看到這里的小伙伴們心里都有答案了。

                     對了,Lydéric Bocquet教授研究興趣其實是很廣泛也很有趣的。比方說,他曾經仔細研究了打水漂的技巧,并且以“Secrets of successful stone-skipping”為題在Nature(2004年)上發表了一篇正兒八經的論文,有興趣的小伙伴們可以戳底下的鏈接去看看。

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              參考資料:

              http://www.phys.ens.fr/~lbocquet/index.html
              https://www.nature.com/articles/35102535
              https://www.nature.com/articles/nature11876
              https://www.nature.com/articles/s41586-019-0961-5
              https://www.nature.com/articles/s41563-022-01229-x

              https://www.nature.com/articles/427029a

               

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