10月25日，清華大學航天航空學院工程力學系、微納米力學中心徐志平研究組在《美國化學學會·納米》（ACS Nano）期刊上在線發(fā)表題為“非連續(xù)插層水的擴散解釋了氧化石墨烯薄膜內(nèi)的快速質(zhì)量輸運”（Non-Continuum Intercalated Water Diffusion Explains Fast Permeation through Graphene Oxide Membranes）的論文。該項研究報導了納米受限空間內(nèi)水團簇的異常擴散機制，指出其室溫下在石墨烯層間的快速集體擴散可實現(xiàn)高效的質(zhì)量輸運。這一發(fā)現(xiàn)解釋了早前實驗中發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯薄膜中水蒸汽超快的滲透行為。


隨著空氣污染狀況的日趨嚴重和潔凈水資源的進一步匱乏，高效過濾與分離膜技術(shù)的研發(fā)成為最近學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的研究熱點。選擇性與質(zhì)量輸運效率時高效過濾與分離過程的關(guān)鍵指標，而納米技術(shù)可以在一定程度上對兩者實現(xiàn)同步提高。納米孔道結(jié)構(gòu)尺寸正好處于水分子、水合離子、有機分子等特征結(jié)構(gòu)尺度范圍，可通過分子尺寸及其與孔道相互作用進行篩選；另一方面，石墨烯等具有原子級光滑表面的材料提供極低的固液界面摩擦，可有效提高液相介質(zhì)的輸運效率。

近期的研究發(fā)現(xiàn)，具有納米尺度層間距的氧化石墨烯薄膜可實現(xiàn)水相對于經(jīng)典粘性流動模型預測而言的超快滲透，固液界面可觀滑移是這一現(xiàn)象的根本機制；然而，這一基于連續(xù)介質(zhì)流動假設的模型不能解釋低濕度條件下水蒸汽的高效輸運。

徐志平研究組通過分子模擬技術(shù)研究了石墨烯和氧化石墨烯層間受限水插層的自擴散與集體擴散行為。論文研究指出，由于納米尺度的空間限制，水分子的團簇具有層狀結(jié)構(gòu)；而當水分子受限于具有晶體結(jié)構(gòu)的石墨烯壁間時，甚至會在室溫形成一定的晶體結(jié)構(gòu)，即二維冰。與流體相比，固體具有一定的剪切剛度，且水分子在其中難以擴散，因此處于石墨烯層間的納米空間受限水自擴散系數(shù)要低于體相水；然而由于石墨烯壁面極低的摩擦系數(shù)，水分子的團簇可以在石墨層間實現(xiàn)較體相水自擴散快得多的集體擴散，其擴散系數(shù)隨團簇尺寸的減小增加，且隨溫度升高而增大，這是其熱激活擴散機制的體現(xiàn)。


值得注意的是，當溫度升高或石墨烯層間距增加至一定程度后，受限水插層逐漸融化，固體特征消失而流體行為凸顯，從而導致集體擴散系數(shù)在相變點的突降。這一與結(jié)構(gòu)相關(guān)的集體擴散行為特征體現(xiàn)了納米受限空間水擴散的異常性。研究還發(fā)現(xiàn)對于結(jié)構(gòu)無序程度較大的氧化石墨烯而言，由于水團簇難以形成有序結(jié)構(gòu)，從而快速的集體擴散難以實現(xiàn)。

徐志平研究組基于分子模擬所獲得石墨烯和氧化石墨烯層間水插層的集體擴散系數(shù)，并結(jié)合氧化石墨烯薄膜特征的化學結(jié)構(gòu)與尺寸，進一步估算了基于集體擴散機制的跨膜水輸運效率，成功解釋了實驗中報導的水蒸汽高效滲透數(shù)據(jù)。這一集體擴散機制因為考慮了滑移的粘性流動為設計具有納米孔道結(jié)構(gòu)的過濾、分離膜的兩種基本模型提供了有力的證據(jù)。

該論文通訊作者為清華大學航院徐志平教授，第一作者為清華大學航天航空學院微納米力學中心2013級博士生焦淑平。徐志平博士于2010年起開始在清華大學航天航空學院、微納米力學與多學科交叉創(chuàng)新研究中心工作，現(xiàn)任工程力學系教授；研究興趣為復雜材料微細觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能關(guān)聯(lián)、微納米尺度下的能量傳遞、轉(zhuǎn)換過程等物理力學問題，以及這些基礎研究在航天航空、環(huán)境能源、生物醫(yī)療等領(lǐng)域的應用。