（纳闻记者李文瑞报导）
人们本能地认为，如果你在筛子上多戳几个洞，就会有更多的水通过。 然而，最近的研究表明，在纳米尺度上，情况可能恰恰相反，来自澳大利亚、德国、法国和日本的全球科学家团队发现，在使用氧化石墨烯 (GO) 过滤器时，水的行为并不像预期的那样。
研究人员在对 GO 膜进行实验时发现，化学环境和表面张力在水渗透性中起着重要作用，并且可能对水净化、能量储存和氢气生产产生重大影响。
这项发表在《纳米快报》上的研究发现，筛子的孔密度并不一定决定其渗透性。 在纳米尺度上，在筛子上添加更多的小孔并不总是能让更多的水通过。
该研究的资深作者 Assoc 说：“如果你在筛子上制造越来越多的孔，你会期望它变得更容易透水。” 来自新南威尔士大学的 Rakesh Joshi 教授在该大学的新闻稿中。
“但令人惊讶的是，这与我们在氧化石墨烯膜的实验中发生的情况相反，”乔希说。
氧化石墨烯化学环境的影响
GO是一种极薄的碳，由单层碳原子与氧和氢原子连接而成。 氧化石墨烯的结构类似于地板上散落的乐高积木，地板代表单层碳原子，乐高积木代表附着的氢原子和氧原子。
使氧化石墨烯如此成功地阻止水流的特性之一是它的疏水性——排斥水——孔隙。
在化合物中——由一种以上元素的原子组成的物质——存在官能团——分子内的单个原子或原子团在它们出现的化合物中具有相当的化学性质。这些官能团可以是亲水的——被水吸引——或疏水的。
“令人惊讶的是，对于水通量（水通过膜的流动）而言，更重要的不是孔隙的数量，而是孔隙是疏水的还是亲水的，”该研究的主要作者 Tobias Foller 说。
“这是非常出乎意料的，因为 GO 层只有一个原子厚。 人们期望水只是通过毛孔，无论它们是吸水还是排斥水。”
研究发现，没有水流过氧化石墨烯过滤器的疏水孔，尽管使用的过滤器中有许多小孔。
“使用过滤器，您通常会期望更多的水流和更多的孔，”来自德国杜伊斯堡的研究的合著者 Marika Schleberger 教授说。
“但在我们的案例中，我们有更多的孔，水流较低，这是由于氧化石墨烯孔的化学性质，在这种情况下是防水的。”
表面张力的影响
研究人员表示，表面张力也有助于水和氧化石墨烯孔隙之间的意外相互作用。 表面张力的出现是因为分子（例如水）想要粘在一起。
水，当被迫进入足够小的空间时，可以利用水分子和液体周围的固体表面之间的粘合键向上移动。 这就是树木如何克服重力并从根部汲取水分的方式，通过毛细血管（植物中的小管）输送到植物的其余部分。
允许树木吸水的相同力量也阻止水流过氧化石墨烯孔隙中的小孔。 以百万分之一毫米或更小的尺度制成的孔隙充当毛细血管，将水向上推而不是让它流过。
“当你将水限制在尽可能小的毛细血管中时——只有几个原子的大小——水分子会如此吸引自己，形成一个紧密的网络，”福勒说。
“不受干扰，这个网络非常强大，即使你增加孔的数量，它也不允许分子被释放并通过筛子。”
氧化石墨烯的水过滤能力
研究人员表示，这一发现的可能应用是超细筛，它们由不同的材料制成，而且种类繁多。 此外，这项研究的结果可以帮助科学家改善原子筛中的液体运输并开发高精度的过滤系统。
“通过了解哪些参数会增加或减少水通量，我们可以优化氧化石墨烯在水净化、储能、制氢等方面的许多可能应用，”Foller 说。
“我们希望其他工程师和科学家能够利用这些新知识来改进他们自己的设备，并在未来引领新的发展。”
2018 年，新南威尔士大学展示了 GO 作为水过滤系统的功效，设计了一种实验室规模的过滤器，可以去除饮用水中 99% 以上的普遍天然有机物。
“我们的进步是使用基于石墨烯的过滤器——一种极薄的碳。 没有其他过滤方法能够接近于在低压下从水中去除 99% 的天然有机物，”乔希教授在新南威尔士大学的新闻稿中说。
“我们的结果表明，基于石墨烯的膜可以转化为一种替代的新选择，将来可以在传统的水处理厂中进行改造。”
“新的处理系统是通过将天然存在的石墨转化为氧化石墨烯膜制成的，该膜在大气压下允许高水流，同时去除几乎所有的有机物，”乔希说。
研究小组通过对 Nepean 水过滤厂的过滤水进行实验室测试，研究了氧化石墨烯在水过滤中的应用； 这项研究的结果发表在《碳》杂志上。
“目前用于去除供水中有机物的最常用方法包括使用化学混凝剂，”悉尼水务公司的 Heriberto Bustamante 博士说。
“然而，这些现有的治疗方法只是部分有效，特别是随着天然有机物浓度的增加。”
这一发现由澳大利亚新南威尔士大学 (UNSW)、德国杜伊斯堡-埃森大学、法国 GANIL 和日本丰田技术研究所共同完成，并得到了欧盟和洪堡研究基金会的支持.
