浮在水上的石墨烯是亲水的吗？

　　导读

　　近日，在一篇发表于《先进材料》杂志的论文中，荷兰莱顿大学的化学家们表示：水面上的石墨烯不是疏水的，而是亲水的。这一发现将对石墨烯在传感器、滤水以及基于膜的燃料电池方面的应用，产生非常大的影响。

　　背景

　　石墨烯，是一种只有单个原子层厚度的二维材料，也可以称为“单原子层石墨”。它与石墨是由同一种材料制成。石墨，相信大家并不陌生，因为我们常用的铅笔芯的主要成分就是石墨。石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的，石墨的层间作用力较弱，很容易互相剥离，形成薄薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后，这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。

　　石墨烯具有许多优秀的特性，作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，石墨烯享有“黑金”、“新材料之王”等美誉。科学家们甚至预言，石墨烯极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。

　　石墨烯的应用领域十分广阔，例如：柔性电子、高效晶体管、新型传感器、新材料、电池、超级电容、半导体制造、新能源、通信、太赫兹技术、医疗等方面，之前笔者在多篇文章中都有过介绍，这里就不再赘述了。

　　然而，石墨烯到底属于疏水性材料还是亲水性材料？长时间以来，最常见的假设就是：与许多其他碳基材料例如石墨一样，石墨烯被认为是疏水性材料。

　　创新

　　但是，在一篇发表于《先进材料》（AdvancedMaterials）杂志的论文中，荷兰莱顿大学的化学家LiubovBelyaeva和PaulinevanDeursen以及他们的导师GrégoryF.Schneider表示：这个问题远比人们最开始所认为的要复杂的多。正如许多科研人员所相信的那样，漂浮于水面上的石墨烯不但不是疏水的，而且相反，还是吸水的。

　　技术

　　对于石墨烯的润湿性，许多相关研究都有不同的观点。近日，荷兰莱顿大学的研究人员研究表明：在干净和光滑条件下，水面上的石墨烯表面是亲水的。换句话说，水中的石墨烯是吸水的。

　　这项研究对于石墨烯的未来应用非常重要。石墨烯是由蜂窝状结构的单层碳原子组成，因此它可以应用于解码DNA的生物传感器。这种超薄材料还可以用于传感器、滤水以及燃料电池膜。在所有这些情况下，石墨烯层的两面都接触水。

　　很长时间以来，石墨烯都被认为是疏水的，或者是不透水的。研究人员这么假定，是因为：石墨烯通常在金属表面上制造，后来被转移到固体支撑物例如硅晶圆上。然而，在这个转移过程中，石墨烯会被损伤或者腐蚀，从而影响了它的润湿性。

　　为了判断完好无损的石墨烯层是否是亲水的，一滴水被滴到石墨烯层上。然后，科研人员可以从水滴的曲率判断该表面是否是疏水的，也就是说如同雨衣一样；或者，它是否是吸水的。理论上是差不多就是这样，然而在实践中，这样一滴水将会立即扯破石墨烯层，带来缝隙，然后供测量使用的水分就会剩下很少。

　　为了解决这一问题，研究人员使用冰或者水凝胶取代水，作为支撑层。冰和水凝胶比水更加强大，而且和水非常相似。然后，他们能够将非常小的水滴滴到石墨烯上，测量石墨烯表面和水滴外表的接触角。此外，他们也使用了具有不同极性的其他液体，重复了这种测量。然后，他们能够判断出，水下的所有分子接触都会被上面水滴中的水分子感觉到。这种完全的透明性要归功于石墨烯超薄的特性，而且它也揭示出了石墨烯在水面上为什么是亲水的。

　　价值

　　对于石墨烯在传感器、滤水以及基于膜的燃料电池方面的应用来说，这一观点产生了极大的影响。所有这些应用都需要石墨烯接触水，因此开发人员将必需考虑一个完全不同的起点：石墨烯不是疏水的，而是亲水的。