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  石墨烯作為二維碳納米材料，被廣泛應(yīng)用于能源電子、生物醫(yī)藥和化工材料等領(lǐng)域。目前，多位科學(xué)家根據(jù)理論計(jì)算預(yù)言石墨烯將有可能作為一種單原子層過濾膜用于海水淡化、污水處理、能源電池領(lǐng)域。

  近日，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所邱洪燈研究員帶領(lǐng)的“百人計(jì)劃”研究團(tuán)隊(duì)與中科院近代物理研究所、蘭州大學(xué)等單位合作，利用重離子加速器輻照PET基單層石墨烯膜并結(jié)合化學(xué)蝕刻技術(shù)，成功制備出可用于水溶液中無機(jī)金屬離子分離的多孔石墨烯分離膜，研究了電場、酸度及溫度等因素對無機(jī)金屬離子的選擇性分離的影響，并結(jié)合密度泛函理論對分離過程進(jìn)行模擬計(jì)算。研究表明，石墨烯納米孔對金屬離子的高選擇性源于納米孔周圍的羧基帶來的離子交換作用。該工作為多孔石墨烯分離膜的制備及石墨烯納米孔的應(yīng)用提供了新的思路。研究結(jié)果發(fā)表在美國《分析化學(xué)》雜志（Analytical Chemistry, 2016, DOI: 10.1021/acs.analchem.6b02175）上。

PET基單層石墨烯膜納米孔及分離機(jī)理示意圖

  此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)，石墨烯納米孔對于一價(jià)堿金屬離子的過濾順序與這些金屬離子通過細(xì)胞膜的順序(Rb⁺ > K⁺ > Cs⁺ > Na⁺ > Li⁺)驚人地相似，這說明石墨烯納米孔具有類似細(xì)胞膜鉀離子通道的功能。同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)石墨烯在高鹽度和酸度的環(huán)境中可以自發(fā)卷曲為類細(xì)胞尺度、結(jié)構(gòu)的單層膠囊或單壁納米管，吸附磷脂的石墨烯則能形成類似細(xì)胞的雙層結(jié)構(gòu)膠囊，這種結(jié)構(gòu)高度類似于現(xiàn)有細(xì)胞結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步研究證實(shí)，石墨烯可優(yōu)先吸附左旋氨基酸。更為重要的是通過計(jì)算表明，石墨烯卷曲成的納米管具有類似核酸的阿爾法螺旋結(jié)構(gòu)。根據(jù)這些研究推測，閃電高溫形成的石墨烯落入原始高酸度高鹽度的海洋中，自發(fā)卷曲為類細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，隨后在選擇性吸附米勒實(shí)驗(yàn)中形成的左旋氨基酸，促使了原始蛋白在石墨烯表面的合成。同時(shí)隨著含磷化合物的出現(xiàn)，石墨烯進(jìn)一步促使了核酸的形成，進(jìn)而演化成為原始細(xì)胞。相關(guān)工作發(fā)表在《科學(xué)報(bào)告》雜志(Scientific Reports, 2015, 5, 10258) 上。

  以上工作得到了國家自然科學(xué)基金、甘肅省杰出青年基金及蘭州化物所“一三五”重點(diǎn)培育項(xiàng)目的資助。