MIT-哈佛团队用氧化石墨烯制造出完美碳纳米卷
DeepTech深科技 麻省理工科技评论倾力打造
未来的净水装置很有可能就是由无数个微小的石墨烯纳米卷组成，这些纳米卷经过细微调整之后可以“捕获”水中特定大小的污染物分子。除了净水装置，碳纳米卷还有其他潜在的应用，比如超轻化学传感器，药物运输，氢气储存等等。
当然大家都知道石墨烯可不便宜。石墨烯的优良物理化学性质来自它正六边形排列的碳原子网，想象一张微观世界的铁丝网。科学家一直以来致力于生产完美纯净的石墨烯，然而实现过程异常艰辛，高昂的生产成本也让石墨烯的应用产品迟迟不能进入大众视野。
来自 MIT 和哈佛的科研团队找到了石墨烯便宜的替代品----氧化石墨烯。氧化石墨烯其实是表面有各种碳氢氧官能团（官能团，是决定有机化合物的化学性质的原子或原子团）的石墨烯，大量存在久置于空气的石墨烯中。借助高低频声波，该科研团队用氧化石墨烯薄片制造出大小可控的碳纳米卷。研究人员表示，只用很小的成本，他们制造的碳纳米卷各项性能跟昂贵的纯石墨烯基本无差。
MIT 机械工程的研究生Itai Stein 说道：“石墨烯的价格让人望而却步，相比之下氧化石墨烯要便宜多了。我们团队的技术，打开了石墨烯工业应用的大门。”
Stein和哈佛的研究生Carlo Amadei已经在Nanoscale杂志上发表了他们的文章。
告别褶皱石墨烯
文章的想法来自两位学生上的一门课MIT 2.675（微/纳米工程），授课老师是 MIT 机械学院的的副教授 Rohit Karnik。作为他们这门课的期末论文，Stein 和 Amadei想到了用氧化石墨烯制造碳纳米卷的设计。Amadei 在哈佛师从Chad Vecitis 教授，一直在研究如何用纳米卷净化水的方法。而 Stein 在 MIT Brian Warde 的团队里也有许多碳纳米管和其他纳米结构的实验经历。
“最开始我们只是想用纳米卷研究分子吸附。相比于纳米管封闭的结构，纳米卷开放的螺旋结构有更大的操作空间。”
“纳米卷每一层的空间都可以调节，这用纳米管和石墨烯做不到的，” 他们说到。
在开始研究之前，他们发现科学家们都是用石墨烯来制造纳米卷。仅有少数几个以氧化石墨烯为突破口的团队也以失败告终。
Stein说道：“文献里得到更像是褶皱的石墨烯，看不到纳米卷圆锥形的结构。”
泡沫破灭，氧化石墨烯自然卷曲
Stein 和 Amadei首先用 Hummers 法（三种制备氧化石墨烯的方法之一，另外两种为：Brodie法，Staudenmaier法）将氧化石墨烯分成单层薄片。然后他们将薄片放在溶液里分别用高低频声波刺激氧化石墨烯薄片卷曲。
上图简单描述了氧化石墨烯在不同声波影响下与纳米卷互相转换
通电时，低频发生器压电材料制成的振针以20Hz的频率震动。振针放置在溶液中，声波会引起溶液震动，产生小气泡。
同样的方式，高频发生器以390Hz的频率使溶液产生小气泡。
Stein和 Amadei观察到，高低频产生的小气泡在溶液中最终破裂，释放的能量引起氧化石墨烯自然卷曲。他们还发现，通过调节震动时间和频率，不同的大小的纳米卷也可以实现。短时高频的操作不会破坏氧化石墨烯的结构，可以制造出更大的纳米卷；而长时低频有可能会撕裂薄片，产生更小的纳米卷。
目前他们的初步实验转换率只有10%。Stein对实验的优化和更高的转换率表示乐观。如果他们的转换率进一步提高，达到工业生产的水准也不远了。净水这步也是水到渠成。
Stein说：“如果我们能够生产大量低价的碳纳米卷，那么净水变的轻而易举。”
他们的研究部分由美国国防部的科学工程奖学金（NDSEG fellowship）提供经费。
《五十大突破技术》深度剖析版
麻省理工科技评论出版 首部中文图书
本书将收集2012年——2016年的五十大突破性技术，并邀请国内外技术专家对每项技术的应用、未来发展及投资潜力进行点评。 我们还会为参与众筹者建微信群，随时更新最新进展和进行交流，并希望将这些微信群逐步打造成成高品质的创新科技社群。
购买地址请戳”阅读原文“。