(Nanowerk Spotlight）石墨烯基膜作为过滤纳米颗粒，有机分子甚至小无机盐离子的新过滤技术的有希望的候选者引起了相当大的关注。
研究人员将自然启发的旋转用于复杂油/水分离的高性能石墨烯膜的制造 – 即使在稳定的乳液中 – 研究人员已经证明了一种石墨烯纳米网膜，该膜具有高亲水性，超疏油性和低水下油附着力。
他们在先进功能材料报告了（“细胞膜启发的石墨烯纳米网膜用于快速分离水包油乳液”）方面的发现，Marc-Olivier Coppens，伦敦大学学院拉姆齐化学工程纪念教授，伦敦大学学院自然启发工程中心主任 （CNIE）与第一作者Yanan Liu一起，展示了在非常低的跨膜压差下，在宽pH范围内令人印象深刻的透水性（接近4000 L m–2 h–1 bar–1）。
利用自然启发的力平衡机制来实现选择性高通量，防污膜，如细胞膜。（转载自 doi：10.1002/adfm.202200199，经 Wiley-VCH Verlag 许可）
“我们使用壳聚糖功能化的石墨烯纳米网膜来实现这种具有非常高选择性的优越水流速，从而实现98.7%的水回收率，”Coppens告诉Nanowerk。“壳聚糖排斥膜表面的污染物，纳米网减少了水分子的路径长度，水分子迅速滑过覆盖着纳米孔的石墨烯层。
CNIE的研究不是脱离上下文模仿自然，而是采取科学方法来揭示自然界中理想特征的基本机制。这方面的例子是这种新颖的膜技术，它利用了生物细胞膜的选择性，高透水性和抗污染性的基本机制。
“我们的自然启发化学工程（NICE）方法，凭借其系统的自然启发解决方案方法，使我们能够利用支撑自然系统中所需特性的基本机制 – 如可扩展性，效率和弹性 – 用于工程应用，”Coppens解释说。“我们已经在燃料电池，可持续制造，医疗保健工程应用等项目中证明了这种方法的成功。
研究人员对这项工作的灵感来自细胞膜的结构，特别是水通道蛋白。水通道蛋白是嵌入细胞壁的蛋白质，充当生物通道。它们通过选择性地调节水，气体，离子和其他溶质流入和流出细胞来保持细胞存活，其方式是人类制造的任何事物都无法比拟的。水通道蛋白如此高效的原因是它们的通道壁排斥水（即它们是疏水性的），并且它们非常窄，具有亚纳米直径。这种狭窄度迫使水以每秒30亿个水分子的惊人速度在单文件行中通过通道。
受到大自然优雅而高效的设计的启发，该团队通过氧化石墨烯片引入了“纳米孔”，以创建纳米网。这些纳米孔减少了水必须穿过膜的距离，并且还受益于沿着石墨烯纳米片的滑移。结合石墨烯纳米片和水分子之间的低摩擦，这导致接近4000 L m–2 h–1 bar–1，其磁导率约为氧化石墨烯膜的260倍。
结垢是膜分离中不可避免的问题，膜的孔隙中发生堵塞，阻止流动并阻止膜的正常运作。对于油分离技术来说，结垢是一个特别严重的问题，因为油滴很容易粘在膜表面上。
在这里，大自然再次提供了灵感。细胞膜具有天然的防污机制，这要归功于亲水性和带电基团，这些基团在膜上形成水合层。壳聚糖具有相似的官能羟基和氨基，已被提出使表面官能化以防污。
协同结合这些想法，研究人员使用壳聚糖与亲水性羟基和氨基来修饰其石墨烯纳米网，以增加其亲水性并诱导膜表面形成防污水合层。
“我们的膜在分离表面活性剂稳定的水包油乳液（包括向日葵水包油乳液，泵水包油乳液，辛烷水乳液和硅油包水乳液）时具有高渗透性和优异的抗结垢性能，”Coppens指出。“值得注意的是，表面活性剂稳定型油包水乳液的分离比不稳定表面活性剂的油包水乳液的分离要困难得多。这是因为表面活性剂稳定的水包油乳液（约200nm）中的油滴尺寸小于无表面活性剂水包油乳液（超过10μm）中的油滴，而前者中的油滴比后者的油滴稳定得多。
“因此，”他继续说道，“我们的细胞膜启发的石墨烯纳米网膜为各种应用提供了潜力，包括石油工业和食品工业。同时，我们的膜在水下具有超亲水性和超疏油性，因此，我们的膜可以让水通过并排斥乳液中的油滴，从而产生清洁的水。
该研究工作的下一阶段是将其扩大到更大规模的膜分离组件，并在各种实际情况下测试膜的长期稳定性。研究人员还计划研究其他方法，以实现其膜的坚固，广泛的防污性能。
“在扩大规模和降低氧化石墨烯制造成本方面取得了很大进展，这将有助于使这种有前途的方法在规模上更便宜，”Coppens总结道。
作者 ：Michael Berger – Michael是英国皇家化学学会（Royal Society of Chemistry）三本书的作者：《纳米社会：推动技术的边界》（Nano-Society： Push the Boundaries of Technology）、《
纳米技术：未来是微小的》（Nanotechnology： The Future is Tiny）和《Nanoengineering： The Skills and Tools Making Technology Invisible
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