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石墨烯的新使命——对话化学学院仿生分离膜团队

导语:

2017年12月8日,北京航空航天大学化学学院赵勇教授、王女副教授及其合作者的最新研究成果“仿生温度响应石墨烯膜用于门控及分子分离”(Bioinspired graphene membrane with temperature tunable channels for water gating and molecular separation)在线刊登在Nature子刊《Nature Communications》,赵勇教授与王女副教授为共同通讯作者,2015级博士生刘敬崇为第一作者,北航为第一通讯单位。

 

“智能筛子”巧构想

这一成果的开端来源于赵勇教授与王女副教授共同承担的一个仿生分离膜设计与制备的国家自然科学基金重点项目。他们的任务就是制备出像筛子一样的分离膜,将某一物质在混合物中选择性分离出来。此前,他们已研制出油水分离、乳液分离与油油分离膜,在此基础上,他们希望设计出具有更小精度的分离膜,可实现纳米尺度下分子的分离。同时,这个分离膜要“智能”,即其孔径可受外界刺激而改变。这样就可以通过一个分离膜实现不同尺寸分子的梯度分离,简化操作步骤,并有望在复杂体系的污水处理中大显神通。

师法自然获灵感

为了选择合适的材料来制备该分离膜,团队经过大量文献调研与仔细考虑,最终将目光瞄准了石墨烯。石墨烯具备高强度与良好的导电性,在科研领域运用广泛。除此之外,石墨烯膜中层层堆叠片层之间的纳米间距,为物质的传输提供了绝佳的二维通道,是较为理想的材料。团队进一步运用仿生思想解决石墨烯分离膜孔径可由外界刺激而调节这一科学问题。

为了维持自身水分平衡,植物叶片气孔在高温时关闭防止脱水,在低温时打开蒸发水汽。受此启发,团队制备了一种温度响应高分子与石墨烯复合的分离膜。该智能高分子具有高温下收缩,低温下膨胀这一特性,借此,该团队实现了石墨烯分离膜孔道的低温打开和高温闭合。

多方努力出成果

为了能在国际上率先做出成果,该团队的2015级博士生刘敬崇进行了长达两年的努力钻研,他做了大量实验,在两位老师的指导下不断优化实验条件,反复探讨所制备分离膜的温度响应分离性能。

王女副教授强调了研究过程中的一个小细节。刘敬崇在实验之初做了一系列不同条件的实验,结果显示中间有两个点的结果与以往文献中的报导不符。经过重复实验,他们从实验结果和理论上论证了其正确性,并从这两个点出发,进一步优化实验条件。这一细节成为项目突破的关键。

同时,项目的成功也是合作的结果,2016年赵勇教授在哈佛访学期间,与上海大学一位专攻响应高分子材料的老师多次讨论合作,在该工作的机理解释部分提出了非常有价值的建议;最后的机理计算部分也获得了澳洲国立大学计算化学专业老师的帮助。

 

结语:一项科研成果的诞生,离不开饱满的科研热情与深厚的知识储备,离不开绝妙的灵感与构想,离不开对细节的把握与探究,离不开反复的实验与分析,也离不开团队之间的合作。新的一年,愿北航科研团队追求卓越敢为人先,取得更加丰硕的成果!

 

采访:李欣欣 曾嘉琪 刘昕睿 谭莉莎

策划/文案:李欣欣 曾嘉琪

设计:杨彦卓

鸣谢:化学学院

编审:门户网站总编总监工作室

投稿:geoos@buaa.edu.cn