導(dǎo)讀

　　近日，在一篇發(fā)表于《先進(jìn)材料》雜志的論文中，荷蘭萊頓大學(xué)的化學(xué)家們表示：水面上的石墨烯不是疏水的，而是親水的。這一發(fā)現(xiàn)將對(duì)石墨烯在傳感器、濾水以及基于膜的燃料電池方面的應(yīng)用，產(chǎn)生非常大的影響。

　　背景

　　石墨烯，是一種只有單個(gè)原子層厚度的二維材料，也可以稱為“單原子層石墨”。它與石墨是由同一種材料制成。石墨，相信大家并不陌生，因?yàn)槲覀兂Ｓ玫你U筆芯的主要成分就是石墨。石墨是由一層層以蜂窩狀有序排列的平面碳原子堆疊而形成的，石墨的層間作用力較弱，很容易互相剝離，形成薄薄的石墨片。當(dāng)把石墨片剝成單層之后，這種只有一個(gè)碳原子厚度的單層就是石墨烯。

　　石墨烯具有許多優(yōu)秀的特性，作為目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強(qiáng)度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)的一種新型納米材料，石墨烯享有“黑金”、“新材料之王”等美譽(yù)。科學(xué)家們甚至預(yù)言，石墨烯極有可能掀起一場(chǎng)席卷全球的顛覆性新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)革命。

　　石墨烯的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊，例如：柔性電子、高效晶體管、新型傳感器、新材料、電池、超級(jí)電容、半導(dǎo)體制造、新能源、通信、太赫茲技術(shù)、醫(yī)療等方面，之前筆者在多篇文章中都有過(guò)介紹，這里就不再贅述了。

　　然而，石墨烯到底屬于疏水性材料還是親水性材料？長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，最常見(jiàn)的假設(shè)就是：與許多其他碳基材料例如石墨一樣，石墨烯被認(rèn)為是疏水性材料。

　　創(chuàng)新

　　但是，在一篇發(fā)表于《先進(jìn)材料》（AdvancedMaterials）雜志的論文中，荷蘭萊頓大學(xué)的化學(xué)家LiubovBelyaeva和PaulinevanDeursen以及他們的導(dǎo)師GrégoryF.Schneider表示：這個(gè)問(wèn)題遠(yuǎn)比人們最開(kāi)始所認(rèn)為的要復(fù)雜的多。正如許多科研人員所相信的那樣，漂浮于水面上的石墨烯不但不是疏水的，而且相反，還是吸水的。

　　技術(shù)

　　對(duì)于石墨烯的潤(rùn)濕性，許多相關(guān)研究都有不同的觀點(diǎn)。近日，荷蘭萊頓大學(xué)的研究人員研究表明：在干凈和光滑條件下，水面上的石墨烯表面是親水的。換句話說(shuō)，水中的石墨烯是吸水的。

　　這項(xiàng)研究對(duì)于石墨烯的未來(lái)應(yīng)用非常重要。石墨烯是由蜂窩狀結(jié)構(gòu)的單層碳原子組成，因此它可以應(yīng)用于解碼DNA的生物傳感器。這種超薄材料還可以用于傳感器、濾水以及燃料電池膜。在所有這些情況下，石墨烯層的兩面都接觸水。

　　很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，石墨烯都被認(rèn)為是疏水的，或者是不透水的。研究人員這么假定，是因?yàn)椋菏┩ǔＴ诮饘俦砻嫔现圃?，后?lái)被轉(zhuǎn)移到固體支撐物例如硅晶圓上。然而，在這個(gè)轉(zhuǎn)移過(guò)程中，石墨烯會(huì)被損傷或者腐蝕，從而影響了它的潤(rùn)濕性。

　　為了判斷完好無(wú)損的石墨烯層是否是親水的，一滴水被滴到石墨烯層上。然后，科研人員可以從水滴的曲率判斷該表面是否是疏水的，也就是說(shuō)如同雨衣一樣；或者，它是否是吸水的。理論上是差不多就是這樣，然而在實(shí)踐中，這樣一滴水將會(huì)立即扯破石墨烯層，帶來(lái)縫隙，然后供測(cè)量使用的水分就會(huì)剩下很少。

　　為了解決這一問(wèn)題，研究人員使用冰或者水凝膠取代水，作為支撐層。冰和水凝膠比水更加強(qiáng)大，而且和水非常相似。然后，他們能夠?qū)⒎浅Ｐ〉乃蔚蔚绞┥希瑴y(cè)量石墨烯表面和水滴外表的接觸角。此外，他們也使用了具有不同極性的其他液體，重復(fù)了這種測(cè)量。然后，他們能夠判斷出，水下的所有分子接觸都會(huì)被上面水滴中的水分子感覺(jué)到。這種完全的透明性要?dú)w功于石墨烯超薄的特性，而且它也揭示出了石墨烯在水面上為什么是親水的。

　　價(jià)值

　　對(duì)于石墨烯在傳感器、濾水以及基于膜的燃料電池方面的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這一觀點(diǎn)產(chǎn)生了極大的影響。所有這些應(yīng)用都需要石墨烯接觸水，因此開(kāi)發(fā)人員將必需考慮一個(gè)完全不同的起點(diǎn)：石墨烯不是疏水的，而是親水的。