麻省理工學(xué)院的工程師已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種連續(xù)的制造工藝，可以生產(chǎn)長(zhǎng)條高質(zhì)量的石墨烯。該團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果首次證明了可用于制造高質(zhì)量石墨烯的工業(yè)可擴(kuò)展方法，該方法適用于過(guò)濾各種分子（包括鹽、較大離子、蛋白質(zhì)或納米顆粒）的膜。這種膜應(yīng)該用于脫鹽、生物分離和其他應(yīng)用。

　　“幾年來(lái)，研究人員一直認(rèn)為石墨烯是超薄膜的潛在途徑，”機(jī)械工程副教授兼麻省理工學(xué)院制造與生產(chǎn)力實(shí)驗(yàn)室主任hart說(shuō)。“我們相信這是第一項(xiàng)量身定制石墨烯制造膜應(yīng)用的研究，這需要石墨烯是無(wú)縫的，完全覆蓋基材，并且質(zhì)量很高。”hart是該論文的資深作者，該論文在《AppliedMaterialsandInterfaces》期刊上發(fā)表。

　　生長(zhǎng)石墨烯

　　對(duì)于許多研究人員來(lái)說(shuō)，石墨烯非常適合用于過(guò)濾膜。單片石墨烯類(lèi)似于原子狀的細(xì)金屬絲，由碳原子組成，碳原子以一種圖案連接，使得該材料非常堅(jiān)韌，即使是最小的原子氦也不會(huì)透過(guò)。

　　包括Karnik小組在內(nèi)的研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出制造石墨烯薄膜的技術(shù)，并且用小孔或納米孔精確地控制，其尺寸可以根據(jù)需要定制以過(guò)濾出特定的分子。大多數(shù)情況下，科學(xué)家通過(guò)稱(chēng)為化學(xué)氣相沉積的方法來(lái)合成石墨烯。在這種過(guò)程中，他們首先加熱銅箔樣品，然后將碳和其他氣體的混合物沉積在石墨烯上。

　　在實(shí)驗(yàn)室里，石墨烯基膜大多是小批量制造的，研究人員可以在那里仔細(xì)控制材料的生長(zhǎng)條件。然而，hart和他的同事認(rèn)為，如果石墨烯膜要在商業(yè)上使用，就必須以大量、高速率和可靠的性能生產(chǎn)。

　　hart說(shuō)：“我們知道，對(duì)于工業(yè)化來(lái)說(shuō)，這需要一個(gè)持續(xù)的過(guò)程。你不可能只做幾塊就夠了。而在商業(yè)上使用的薄膜需要相當(dāng)大--有些太大了，你必須把一張海報(bào)般寬的鋁箔放到爐子里才能制造出薄膜。”

　　工廠(chǎng)推出

　　研究人員著手建立一個(gè)端到端，從頭到尾的制造工藝來(lái)制造膜質(zhì)量的石墨烯。該團(tuán)隊(duì)的設(shè)置結(jié)合了卷對(duì)卷方法，一種用于連續(xù)處理薄箔的常見(jiàn)工業(yè)方法，采用普通的石墨烯制造技術(shù)--化學(xué)氣相沉積法，以大批量和高速率制造高質(zhì)量的石墨烯。該系統(tǒng)由兩個(gè)線(xiàn)軸組成，通過(guò)穿過(guò)小爐的傳送帶連接。第一個(gè)卷軸展開(kāi)一條長(zhǎng)度不到1厘米寬的銅箔條。當(dāng)它進(jìn)入爐子時(shí)，箔片通過(guò)第一個(gè)管道，然后是另一個(gè)，以“分區(qū)”設(shè)計(jì)進(jìn)料。

　　當(dāng)金屬箔通過(guò)第一根管子時(shí)，它會(huì)加熱到一定的理想溫度，此時(shí)它已準(zhǔn)備好穿過(guò)第二根管子，科學(xué)家們?cè)谶@里按指定的甲烷和氫氣比率泵入，并沉積到加熱箔產(chǎn)生石墨烯。

　　“石墨烯開(kāi)始在島上形成，然后這些島一起生長(zhǎng)形成連續(xù)的薄片，”hart說(shuō)。“當(dāng)它離開(kāi)烤爐時(shí)，石墨烯應(yīng)該完全覆蓋一層薄膜，就像一個(gè)連續(xù)的比薩餅床。”當(dāng)石墨烯離開(kāi)爐子時(shí)，它被卷到第二個(gè)線(xiàn)軸上。研究人員發(fā)現(xiàn)，他們能夠通過(guò)該系統(tǒng)連續(xù)供給箔片，以每分鐘5厘米的速度生產(chǎn)高質(zhì)量的石墨烯。他們最長(zhǎng)的時(shí)間持續(xù)了將近四個(gè)小時(shí)，在此期間他們產(chǎn)生了約10米的連續(xù)石墨烯。“如果這是在一家工廠(chǎng)，它將7*24小時(shí)運(yùn)行，”hart說(shuō)。“你可以像印刷機(jī)一樣通過(guò)大卷軸紙。”

　　靈活的設(shè)計(jì)

　　一旦研究人員使用卷對(duì)卷方法生產(chǎn)石墨烯，他們從第二個(gè)卷軸上展開(kāi)箔片并將小樣本切出。他們使用由哈佛大學(xué)科學(xué)家開(kāi)發(fā)的方法，用聚合物網(wǎng)或支持物來(lái)鑄造樣品，然后蝕刻下面的銅。

　　“如果不充分支撐石墨烯，它就會(huì)蜷縮起來(lái)，”Kidambi說(shuō)。“所以你從下面蝕刻出銅，并用多孔聚合物直接支撐石墨烯，這基本上是一種膜。”聚合物覆蓋的孔比石墨烯的孔大，hart說(shuō)，石墨烯的孔是微觀(guān)的“鼓頭”，使石墨烯堅(jiān)固，微孔開(kāi)放。研究人員使用石墨烯膜進(jìn)行擴(kuò)散測(cè)試，將水、鹽和其他分子的溶液流過(guò)每個(gè)膜。他們發(fā)現(xiàn)總體而言，膜能夠承受流動(dòng)，同時(shí)過(guò)濾出分子。它們的性能可與傳統(tǒng)的小批量法制備的石墨烯膜相媲美。

　　該團(tuán)隊(duì)還以不同的速度運(yùn)行該過(guò)程，使用不同比例的甲烷和氫氣，并對(duì)每次運(yùn)行后所得石墨烯的質(zhì)量進(jìn)行了表征。他們繪制了圖表來(lái)展示石墨烯質(zhì)量與制造工藝的速度和氣體比率之間的關(guān)系。Kidambi如果其他設(shè)計(jì)師可以建造類(lèi)似的裝置，他們可以利用團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)來(lái)確定他們生產(chǎn)某種質(zhì)量的石墨烯所需要的設(shè)置。

　　Kidambi說(shuō)。“該系統(tǒng)為您提供了極大的靈活性，無(wú)論您希望如何調(diào)整石墨烯，從電子到薄膜應(yīng)用都可以。”展望未來(lái)，hart表示，他希望找到方法，改善包括聚合物鑄造和其他手動(dòng)完成的步驟，以卷到卷的方式進(jìn)行。hart說(shuō)：“在端到端的流程中，我們需要將更多的業(yè)務(wù)整合到生產(chǎn)線(xiàn)中。目前，我們已經(jīng)證明了這個(gè)過(guò)程可以擴(kuò)大，我們希望這能增加人們對(duì)基于石墨烯的膜技術(shù)的信心和興趣，并為商業(yè)化提供了一條途徑。”