石墨烯的新型离子渗透性可以改变水过滤和传感器

维尔茨堡化学家通过故意将缺陷引入两层纳米石墨烯系统，成功地控制了卤素离子的通过。他们的研究结果发表在《自然》杂志上。本文展示了水过滤或传感器技术应用的新前景

石墨烯是一种由纯碳制成的极薄、柔韧且耐用的材料。它形成了几乎由单层碳原子组成的层。为了使石墨烯像人的头发一样厚，必须将数千层这样的层堆叠在一起

许多研究人员正在对石墨烯进行深入研究。这是有充分理由的，因为这种材料的特殊性能有望在电子或能源技术等领域得到新的应用

科学家们能够控制石墨烯对不同物质的渗透性，这一点特别有趣。德国巴伐利亚州朱利叶斯·马克西米利安大学维尔茨堡分校的化学教授Frank Würthner说：“所谓的缺陷可以在石墨烯的碳晶格中产生。这些可以被认为是使晶格可渗透气体的小孔。”

尚未观察到对其他物质的渗透性，如氟化物、氯化物或溴化物等离子。维尔茨堡教授解释说：“然而，这对于海水淡化、物质混合物的检测或净化等应用具有根本的科学意义。”

由Frank Würthner领导的一个团队现在首次创建了一个具有缺陷的模型系统，该系统允许卤化物氟化物、氯化物和溴化物通过，但不允许碘化物通过。这是在由两个纳米石墨烯组成的稳定双层中实现的，该双层包围着一个腔体。穿透的卤素离子被束缚在这个腔中，从而可以测量进入所需的时间

氯化物是常见盐的一种成分，存在于海水中，在所有生物体的生命过程中都起着重要作用

与Frank Würthner共同发起并领导该项目的Kazutaka Shoyama博士说：“单层纳米石墨烯对氯化物的高渗透性和双层纳米石墨烯中卤化物的选择性结合的证明使一些应用更加接近。”。这些应用包括水过滤膜、人工受体和氯化物通道

在下一步中，维尔茨堡的化学家们希望构建更大的纳米管堆叠。他们想用它们来研究离子的流动，从而研究在生物离子通道中以类似形式发生的过程

这项研究是在JMU的有机化学研究所和纳米系统化学中心进行的 More information: Frank Würthner, Bilayer nanographene reveals halide permeation through a benzene hole, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-024-08299-8. www.nature.com/articles/s41586-024-08299-8

Journal information: Nature