最近发表在《Small》杂志上的一项研究探讨了一种提高跨膜纳米流体设备中石墨烯膜稳定性的新方法。研究人员使用一种基于芘的涂层来加强石墨烯与其基底之间的附着力，从而提高设备的性能和使用寿命。
背景
石墨烯具有优异的特性–高导电性、机械强度和渗透性–使其成为一种前景广阔的膜技术材料，可应用于单分子传感、离子过滤和能量收集等领域。然而，它在液体环境中的实际应用却因容易分层而受到阻碍。作为二维晶格中的单层碳原子，石墨烯特别适合生物传感和能量转换中的选择性离子传输，但当它暴露在电解溶液中时，往往会从基底上脱落，导致设备失效。
为解决这一难题，研究人员探索使用芘基粘附层。众所周知，芘化合物具有很强的 π-π 相互作用，可以增强石墨烯与其支持的氮化硅（SiN）基底之间的粘附力。本研究评估了芘涂层能否有效防止分层并延长基于石墨烯的纳米流体器件的工作寿命。
当前研究
研究人员开发出了用于石墨烯薄膜的芘功能化氮化硅基底。该工艺从硅芯片开始，硅芯片基底厚 500 μm，SiO2 层厚 500 nm。在该层上蚀刻出 15 μm x 15 μm 的窗口，露出 30 nm 厚、孔径为 1 μm 的氮化硅膜。
通过化学官能化将芘衍生物共价键合到 SiN 基底上。利用硅烷和肽化学，他们创建了一个强大的粘附层，以促进石墨烯在转移过程中和转移后的π-π相互作用。然后将通过化学气相沉积（CVD）制备的单晶石墨烯转移到芘功能化的氮化硅基底上。
为了测试设备性能，研究人员将样品浸入 0.1 M 盐酸 (HCl) 溶液中，测量离子传输。他们分析了跨膜电流和电导，比较了有无芘层的器件。其他评估包括光学和扫描电子显微镜 (SEM) 成像，以检查石墨烯的覆盖率和稳定性。
结果与讨论
芘层大大提高了石墨烯跨膜器件的性能。应用芘涂层后，功能器件的成功率从 4% 提高到 76.2%。这些器件在酸性溶液中保持了低于 100 mS cm-2 的稳定电导值，表明分层和离子泄漏现象有所减少。
芘功能化器件的面积归一化质子电导平均为 61 ± 46 mS cm-2，与之前石墨烯研究中报告的数值一致。相比之下，没有芘层的器件则表现出快速分层，在暴露于电解质的几小时内，电导率就降到了裸硅衬底的水平。
研究人员指出，电导率的变化可能源于悬浮石墨烯中的皱纹和纳米波纹，它们可能会影响离子传输动力学。泄漏电流的降低，加上芘层附着力的提高，使得从更大的石墨烯器件样本中收集数据的工作更加一致，从而加强了这种方法在实际应用中的可行性。
结论
本研究提出了一种稳定石墨烯基纳米流体器件的实用解决方案，解决了在水环境中长期存在的分层问题。使用共价键合的芘基粘附层不仅能加强石墨烯与其基底之间的界面，还能提高器件的稳定性和可靠性。
这些研究结果表明，芘官能化可以使基于石墨烯的膜更加坚固，从而应用于离子传输、传感和能量转换。未来的研究可以探索这种技术在其他二维材料中的应用，从而拓展纳米级流体技术的可能性。
期刊参考
Kang X., et al. (2025). Substrate-tight graphene transmembrane-nanofluidic devices. Small 2407140. DOI: 10.1002/smll.202407140, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202407140
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