包含碳原子薄晶格的單片石墨烯可能看起來相當脆弱。但麻省理工學院的工程師發(fā)現(xiàn)，超薄材料非常堅固，在施加至少100巴的壓力下保持完好。這相當于典型廚房龍頭產(chǎn)生的壓力的20倍。

研究人員發(fā)現(xiàn)，承受這種高壓的關鍵在于將石墨烯與薄的底層支撐基板結合在一起，這種支撐基板被微孔或毛孔堵塞。襯底的孔越小，石墨烯在高壓下的彈性越大。

麻省理工學院機械工程系副教授Rohit Karnik表示，該團隊的結果今天在Nano Letters雜志上報道，是設計堅韌的石墨烯基膜的指南，特別適用于脫鹽等應用，其中濾膜必須承受高壓流動以有效地從海水中去除鹽。

我們在這里展示石墨烯有可能推動高壓膜分離的界限，如果石墨烯基膜能夠在高壓下進行海水淡化，那么它在高鹽度下為高效節(jié)能的海水淡化開辟了許多有趣的可能性。

現(xiàn)有的膜通過反滲透對水進行脫鹽，這種過程是通過向包含鹽水的膜的一側施加壓力以將純水推過膜，同時防止鹽和其他分子通過。

許多商業(yè)膜在約50至80巴的施加壓力下使水脫鹽，超過該壓力它們傾向于變得致密或性能受損。如果膜能夠承受100巴或更高的更高壓力，那么它們將通過回收更多的淡水而使海水更有效的脫鹽。高壓膜也可能能夠凈化非常咸的水，例如脫鹽的剩余鹽水，這通常太濃以致膜不能通過純水。

很明顯，水源壓力不會很快消失，淡化是淡水的主要來源。在能源方面，反滲透是脫鹽最有效的方法之一。如果膜能夠在更高的壓力下運行，這將在高能效下實現(xiàn)更高的水回收率。

科學家們進行了實驗，以了解他們可以推動石墨烯的耐壓能力。先前的模擬已經(jīng)預測放置在多孔載體上的石墨烯可以在高壓下保持完整。然而，直到現(xiàn)在還沒有直接的實驗證據(jù)支持這些預測。

研究人員使用稱為化學氣相沉積的技術生長石墨烯片，然后將單層石墨烯置于多孔聚碳酸酯薄片上。每張紙都設計有特定尺寸的孔，直徑范圍從30納米到3微米。

為了衡量石墨烯的堅固性，研究人員集中研究了他們稱之為“微膜”石墨烯懸浮在下面基板孔隙的區(qū)域，類似于躺在瑞士奶酪孔上的細網(wǎng)。

科學家將石墨烯 - 聚碳酸酯膜置于腔室的中間，上半部分泵入氬氣，使用壓力調節(jié)器控制氣體的壓力和流量。研究人員還測量了腔體下半部分的氣體流速，推斷出下半部分流速的任何增加都表明石墨烯薄膜的一部分由于上半部分產(chǎn)生的壓力而失效或“爆裂”的房間。

他們發(fā)現(xiàn)，放置在200納米寬或更小的孔隙上的石墨烯可承受100巴的壓力 - 幾乎是海水淡化中常見壓力的兩倍。隨著底層孔隙的尺寸減小，研究人員觀察到保持完好的微膜數(shù)量增加?？峥苏f，這種孔徑對決定石墨烯的堅固性至關重要。

石墨烯就像一座懸索橋，施加的壓力就像站在橋上的人一樣。如果五個人可以站在一座短橋上，那么重量或者壓力就可以。但如果用同一根繩子制造的橋梁懸掛在更大的距離上，它會承受更多的壓力，因為有更多的人站在它上面。

換句話說，石墨烯可以耐受高壓，同時有選擇地濾除海水中的水分？作為回答這個問題的第一步，該團隊制造了納米多孔石墨烯作為非常簡單的石墨烯過濾器。研究人員利用他們以前開發(fā)的一種技術在石墨烯片上蝕刻納米尺寸的孔隙。然后他們暴露這些床單增加壓力。

一般來說，他們發(fā)現(xiàn)石墨烯中的皺紋與微膜是否爆裂無關，不管施加的壓力如何。即使在低至30巴的壓力下，沿皺紋放置的多孔石墨烯的部分也會失敗或爆裂，而未皺紋的部分在高達100巴的壓力下保持完整。同樣，即使在起皺的區(qū)域，多孔石墨烯中的微膜也越有可能存活下來的基底孔隙越小。

總體而言，這項研究告訴我們，單層石墨烯具有承受極高壓力的潛力，而且100個柱不是極限 - 從某種意義上說它是舒適的，只要石墨烯坐落的孔徑足夠小，我們的研究提供了關于如何針對不同的應用和壓力范圍設計石墨烯膜和支撐的指南。

加州大學伯克利分校土木與環(huán)境工程助理教授巴薩米說，石墨烯被公認為世界上最強的材料之一。直到現(xiàn)在，多孔石墨烯是否能表現(xiàn)出相似的強度還不確定。

這項研究可以肯定[石墨烯]在過濾，化學/制藥分離，水凈化和脫鹽方面的潛在應用。要實現(xiàn)這一目標還需要克服更多的挑戰(zhàn)，例如在石墨烯上創(chuàng)建小而均勻的孔隙并能夠擴大規(guī)模。如果成功，這項技術將成為海水淡化的一個神跡。