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石墨烯多種新用途丨保護玻璃、提高成像技術

“神奇材料”石墨烯,除了是目前已知的最堅硬材料外,還是目前最纖薄的塗層,保護銅、鎳等金屬免受腐蝕。科學家最新發現,石墨烯塗層可能是理想的抗腐蝕塗層,在玻璃防護方面,也具有獨特的防護效力!還能破解現有金或鉑塗層不能生物成像的難題,幫助形成高分辨率的電磁圖像!

保護玻璃

玻璃兼具防腐和耐化學物質特性,因而在包裝材料上應用于化學物質和藥品防護。但是,在高濕度和PH環境條件下,韓國科學家發現,某些質地的玻璃會發生腐蝕,造成其透明性和強度降低。特别是在熱帶和潮濕環境條件下,傳統意義上這種最普通、最古老的矽酸鹽玻璃最容易被水腐蝕掉,這對于制藥、環境和光學工業,後果非常嚴重。

韓國科學家介紹道,“雖然玻璃的形式有很多種,但是普通的玻璃成分主要是二氧化矽(SiO2)以及少量的氧化鈉(Na2O)添加劑。玻璃的腐蝕是從表面吸附水分開始的。水中的氫離子擴散到玻璃中,與玻璃表面鈉離子發生離子交換,玻璃表面水分PH值升高,使得矽酸鹽結構分裂”(圖一:水分腐蝕玻璃原理)。

圖1 水分腐蝕玻璃原理

科學家一直尋求在玻璃上形成保護塗層,保護其免受損傷。理想的玻璃塗層應該是纖薄、透明,同時具有優異的隔絕化學物質的特性。石墨烯是化學惰性的,薄且具有高透光率,非常有望作為塗層材料得以應用。更重要的是,歸因于其優異的化學阻隔作用,它甚至可以隔絕氦原子的穿透。因此,石墨烯正被探索作為保護塗層在耐腐蝕、抗氧化、耐摩擦、抗菌和抗電磁輻射材料上加以應用。

日前,韓國基礎科學研究所(IBS)多維碳材料中心(CMCM)研究人員開發了石墨烯塗層(圖二:石墨烯塗層制備及前後的變化),應用于玻璃防護,解決了玻璃杯工業界的防腐難題。

圖2 石墨烯塗層制備及前後的變化

IBS科學家首先采用成熟的CVD法在銅基體上生長石墨烯,然後把一到兩個單原子厚度的石墨烯片層轉移到矩形玻璃兩層。通過塗層前後水分滲透性測試表征石墨烯塗層的有效性。在60℃、120天水分滲透性測試中,研究人員發現沒有塗層的玻璃表面粗糙度和缺陷增加迅速,強度也逐漸降低。相反,單層或雙層石墨烯塗層的玻璃杯在斷裂強度和表面粗糙度上居然沒有任何變化(圖三:玻璃塗層前後變化)。

圖3 玻璃塗層前後變化

“這項研究的目的是為了驗證CVD法制備的石墨烯是否可以轉移到玻璃上,同時保護玻璃免受水分腐蝕。我們的研究結果表明即使單原子厚度的石墨烯也會發揮塗層保護作用,”CMCM主任,兼蔚山國家科學技術研究所(UNIST)教授Ruoff解釋道,“未來,當大面積、高品質石墨烯可以工業化制備後,通過優化石墨烯轉移到玻璃上工藝,我們完全有理由相信石墨烯塗層在玻璃防護方面将會有大規模地應用”。

科學家們甚至表示,石墨烯塗層可能是最理想的抗腐蝕塗層,可以應用于很多方面,尤其是需要纖薄塗層的領域,比如用來包裹連接設備和航空航天設備以及用于移植設備中的微電子元件等。

提高成像

來自國立首爾大學和曼切斯特大學的研究人員發現,生物樣品上的石墨烯塗層有助于消散非破壞性電子顯微鏡成像期間樣品表面的電荷積聚。這種積聚具有破壞性并且妨礙高分辨圖像的獲取。

目前使用的金或鉑塗層意味着研究人員無法獲取高分辨的樣品圖或者采取進一步的定量/定性化學分析,如能量散射譜(EDS)。現在,研究小組發現,由于石墨烯的高導電性,生物樣品上的一層石墨烯可以消散生物樣品不導電表面的電荷積聚。研究人員解釋說,一旦過量的電荷出現在樣品表面上,石墨烯膜為這些電荷的迅速消失提供傳導通道,因此可以獲得具有高分辨率的電磁圖像。

另外,石墨烯的高導熱性可以使其消散由顯微鏡的高能電子産生的多餘熱量,從而防止生物标本的熱損傷或變形等。由于石墨烯對于電子束來說是高度透明的,所以電子很容易穿透它深入到樣品中。

例如,這些電子激發樣品内部各原子并最終産生特征X射線,這種射線很容易通過石墨烯膜從樣品表面逃脫,從而到達EDS探測器。相反,電子被阻止進入具有金屬塗層的生物樣品,并且由于金屬塗層的大電子散射截面,樣品内部産生的任何X射線也不能很容易的逃脫。

研究小組還發現,石墨烯可以用于液相環境中的包封大分子(例如,DNAs或者蛋白質),并且它在真空環境下是穩定的。“這可以使我們獲取這些分子内部生物過程中原位且實時的電磁圖像,在電磁樣品的制備中使用傳統的方法很難完成(隻在高真空下工作)。

覆蓋有石墨烯和金屬薄膜樣品的掃描電鏡圖像

不同尺度下具有不同塗層的生物物體用于電磁分析的示意圖

研究人員稱:該技術為他們提供了一種探索生物現象的新方法。例如,我們正在觀察具有石墨烯自組裝的生物物體在液體中如何被包封。并嘗試與其他技術相結合,例如低溫透射電子顯微鏡(TEM)和原子力顯微鏡(AFM),已被成功證明可用于觀察這些實時的過程,因此,研究人員認為該技術有助于了解這些新的見解。

本文來源:綜合編輯烯碳資訊、石墨烯網、上海碳源彙谷的報道,感謝作者的精彩分享!轉載請注明出處

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