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    石墨烯的新使命——對話化學學院仿生分離膜團隊

    2018-03-22

    導語:

    2017年12月8日,北京航空航天大學化學學院趙勇教授、王女副教授及其合作者的最新研究成果“仿生溫度響應石墨烯膜用于門控及分子分離”(Bioinspired graphene membrane with temperature tunable channels for water gating and molecular separation)在線刊登在Nature子刊《Nature Communications》,趙勇教授與王女副教授為共同通訊作者,2015級博士生劉敬崇為第一作者,北航為第一通訊單位。

     

    “智能篩子”巧構想

    這一成果的開端來源于趙勇教授與王女副教授共同承擔的一個仿生分離膜設計與制備的國家自然科學基金重點項目。他們的任務就是制備出像篩子一樣的分離膜,將某一物質在混合物中選擇性分離出來。此前,他們已研制出油水分離、乳液分離與油油分離膜,在此基礎上,他們希望設計出具有更小精度的分離膜,可實現納米尺度下分子的分離。同時,這個分離膜要“智能”,即其孔徑可受外界刺激而改變。這樣就可以通過一個分離膜實現不同尺寸分子的梯度分離,簡化操作步驟,并有望在復雜體系的污水處理中大顯神通。

    師法自然獲靈感

    為了選擇合適的材料來制備該分離膜,團隊經過大量文獻調研與仔細考慮,最終將目光瞄準了石墨烯。石墨烯具備高強度與良好的導電性,在科研領域運用廣泛。除此之外,石墨烯膜中層層堆疊片層之間的納米間距,為物質的傳輸提供了絕佳的二維通道,是較為理想的材料。團隊進一步運用仿生思想解決石墨烯分離膜孔徑可由外界刺激而調節這一科學問題。

    為了維持自身水分平衡,植物葉片氣孔在高溫時關閉防止脫水,在低溫時打開蒸發水汽。受此啟發,團隊制備了一種溫度響應高分子與石墨烯復合的分離膜。該智能高分子具有高溫下收縮,低溫下膨脹這一特性,借此,該團隊實現了石墨烯分離膜孔道的低溫打開和高溫閉合。

    多方努力出成果

    為了能在國際上率先做出成果,該團隊的2015級博士生劉敬崇進行了長達兩年的努力鉆研,他做了大量實驗,在兩位老師的指導下不斷優化實驗條件,反復探討所制備分離膜的溫度響應分離性能。

    王女副教授強調了研究過程中的一個小細節。劉敬崇在實驗之初做了一系列不同條件的實驗,結果顯示中間有兩個點的結果與以往文獻中的報導不符。經過重復實驗,他們從實驗結果和理論上論證了其正確性,并從這兩個點出發,進一步優化實驗條件。這一細節成為項目突破的關鍵。

    同時,項目的成功也是合作的結果,2016年趙勇教授在哈佛訪學期間,與上海大學一位專攻響應高分子材料的老師多次討論合作,在該工作的機理解釋部分提出了非常有價值的建議;最后的機理計算部分也獲得了澳洲國立大學計算化學專業老師的幫助。

     

    結語:一項科研成果的誕生,離不開飽滿的科研熱情與深厚的知識儲備,離不開絕妙的靈感與構想,離不開對細節的把握與探究,離不開反復的實驗與分析,也離不開團隊之間的合作。新的一年,愿北航科研團隊追求卓越敢為人先,取得更加豐碩的成果!

     

    采訪:李欣欣 曾嘉琪 劉昕睿 譚莉莎

    策劃/文案:李欣欣 曾嘉琪

    設計:楊彥卓

    鳴謝:化學學院

    編審:門戶網站總編總監工作室

    投稿:geoos@buaa.edu.cn

     



    審核:審核人參數配置未打開 編輯:曹嘉輝

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