为了制造过滤速度更快、使用寿命更长的水过滤器，一些科学家正考虑采用石墨烯——这种薄而坚固的碳片——作为超薄膜，滤除污染物，从而快速净化大量水。
石墨烯的独特性质使其有望成为水过滤或海水淡化的理想膜材料。但它广泛应用面临一个主要障碍：要将石墨烯制成单原子厚度的膜，需要精细操作，而这一过程可能撕裂这种薄材料，形成缺陷，使污染物渗漏。
如今，麻省理工学院、橡树岭国家实验室和沙特阿卜杜拉国王石油与矿产大学（KFUPM）的工程师设计出一种修补渗漏的方法，结合化学沉积和聚合技术填补裂缝、堵住孔洞。随后，研究团队运用 此前开发的一种工艺 在材料中制出微小且均匀的孔隙，其尺寸小到只允许水通过。
结合这两种技术，研究人员成功制备出一张相对较大、无缺陷的石墨烯膜——大小约如一枚便士硬币。膜的尺寸意义重大：若要将石墨烯用作过滤膜，就必须将其制造到厘米级或更大的尺度。
在实验中，研究人员让水流经一张同时经过缺陷封堵和造孔处理的石墨烯膜，发现水的流速与现有海水淡化膜相当。石墨烯能够滤除大多数大分子污染物，例如硫酸镁和葡聚糖。
麻省理工学院机械工程副教授罗希特·卡尼克表示，该团队的研究成果发表于《 Nano Letters》期刊，标志着首次成功堵住石墨烯的渗漏。
卡尼克说：“我们已经能够封住缺陷，至少在实验室尺度上实现了水分子跨越宏观面积石墨烯膜的过滤；此前这是做不到的。也许未来如果我们能更好地控制工艺，就不再需要封堵缺陷。但我认为，完美的石墨烯极不可能实现——我们始终需要以某种方式控制渗漏。这两种[技术]就是能够实现过滤的例子。”
肖恩·奥赫恩曾是麻省理工学院的研究生研究助理，是这篇论文的第一作者。其他参与者包括麻省理工学院研究生张度俊、前研究生苏曼·博斯和金静教授。
精细的转移过程
奥赫恩说：“目前能够将盐水制成淡水的膜相当厚，厚度约为200纳米。石墨烯膜的优势在于，它的厚度约为3埃，而不是数百纳米——比现有膜薄600倍。这使得在相同面积上可以实现更高的流速。”
过去几年里，奥赫恩和卡尼克一直在研究石墨烯作为过滤膜的潜力。2009年，该团队开始用生长在铜上的石墨烯制造膜；铜这种金属可以支持石墨烯在相对大面积上生长。然而，铜不透水，因此团队在制造完成后必须将石墨烯转移到多孔基底上。
不过，奥赫恩注意到，这一转移过程会在石墨烯上造成裂口。此外，他还观察到生长过程中产生的固有缺陷，这些缺陷可能源于原始材料中的杂质。
堵住石墨烯的渗漏
为堵住石墨烯的渗漏，团队设计了一种技术，先处理较小的固有缺陷，再处理转移过程造成的较大缺陷。对于固有缺陷，研究人员采用一种称为“原子层沉积”的工艺：将石墨烯膜放入真空室，再脉冲注入一种含铪化学物质。这种物质通常不会与石墨烯发生作用；但如果它接触到石墨烯上的小开口，就会倾向于附着在那里，因为该区域的表面能较高。
团队进行了数轮原子层沉积，发现沉积的氧化铪成功填补了石墨烯纳米尺度的固有缺陷。不过，奥赫恩意识到，用同样的工艺填补大得多的孔洞和裂口——尺寸达数百纳米——将耗时过长。
于是，他和同事想出第二种方法来填补较大的缺陷，采用膜合成中常用的“界面聚合”工艺。填补石墨烯的固有缺陷后，研究人员将膜置于两种溶液的界面处：一侧是水浴，另一侧是有机溶剂；这种溶剂像油一样不与水混合。
研究人员在两种溶液中分别溶解了两种能够反应生成尼龙的分子。奥赫恩将石墨烯膜放在两种溶液的界面处后，观察到尼龙塞只在裂口和孔洞中形成——这些区域因石墨烯出现裂口而使两种分子得以接触，而石墨烯其他部分仍不透水——从而有效封住了剩余缺陷。
随后，研究人员使用他们去年开发的一种技术，在石墨烯上刻蚀出微小而均匀的孔洞，孔洞小到足以让水分子通过，却能阻挡较大的污染物。在实验中，团队用含有多种不同分子（包括盐）的水测试该膜，发现它能截留多达90%的较大分子。不过，盐通过该膜的速度比水更快。
初步测试表明，石墨烯可能成为现有过滤膜的可行替代品，不过卡尼克表示，封堵其缺陷和控制其渗透性的技术仍需进一步改进。
卡尼克说：“海水淡化和纳滤是重要的应用领域；如果一切顺利，这项技术经受住真实环境测试中的各种要求，就会产生重大影响。人们也可以设想它用于精细化学或生物样本处理，在这些场景中，这类膜可能很有用。这也是首篇报道厘米级石墨烯膜实现某种分子过滤的论文。这令人振奋。”
加州大学河滨分校化学助理教授蒋德恩认为，这种缺陷封堵技术是“使石墨烯过滤成为现实的一项重大进展”。
蒋说：“这种两步法非常巧妙：封住缺陷，同时保留用于过滤的目标孔隙。”蒋没有参与这项研究。“这会让规模化生产容易得多。人们可以先制备一张大型石墨烯膜，无需担心缺陷，之后再将其封住。”
这项研究部分得到了麻省理工学院与KFUPM清洁水与清洁能源中心、美国能源部和美国国家科学基金会的支持。
本文由 麻省理工学院新闻 合作发布。刊发本文并不代表世界经济论坛认同其中观点。
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作者：Jennifer Chu 是麻省理工学院新闻的特约撰稿人。
图片：纽约一处水龙头流出自来水。路透社 / Eric Thayer。
