石墨烯分離膜相關研究近年來呈現(xiàn)出了爆發(fā)式的增長趨勢，從超濾、納濾到氣體分離，石墨烯分離膜十分搶眼，然而，越來越多同質(zhì)化的研究也使得該領域進入了瓶頸期。不過，近期AdvancedMaterials上的一篇文章卻讓人眼前一亮。美國麻省理工學院（MIT）PiranR.Kidambi、PiranR.Kidambi等研究者們另辟蹊徑，不是常規(guī)地用石墨烯膜分離分子或離子，而是反其道而行之，通過分子和離子在石墨烯單晶膜中的滲透行為，來表征石墨烯膜的孔結(jié)構(gòu)。

單晶石墨烯在許多領域都有應用，不過單晶石墨烯的表面缺陷對其應用來說是一個限制。例如，在上述的石墨烯膜的制備過程中，表面缺陷可以形成液體或氣體透過的孔道；而在包裝和電子學的應用中，缺陷卻是要極力避免的。而這一切問題的基礎是要研究清楚這些缺陷的本質(zhì)及尺寸。實際上，僅有原子層厚度的單晶石墨烯是研究上述缺陷的理想模型，盡管有一些手段如像差矯正透射電子顯微鏡技術能夠研究這些納米到亞納米尺度的缺陷，但這些方法相對成本高、耗時長。此外，與多晶石墨烯相比，去掉這些晶粒邊界會如何影響傳質(zhì)過程尚不清楚。

基于上述問題，本文的研究者們就先在SiC表面生長得到了較大面積的單晶石墨烯，再將其轉(zhuǎn)移至聚碳酸酯（PC）直通孔膜表面，然后通過研究不同分子或離子的擴散行為，對石墨烯表面缺陷進行表征。單晶石墨烯的制備過程為：首先在SiC表面生長一層單晶石墨烯，再在上面沉積一層Ni，然后用一個相框形的膠帶將其從SiC表面剝離，然后轉(zhuǎn)移至PC膜表面（PC膜的孔徑為200nm）。

石墨烯單晶膜表面在制備與轉(zhuǎn)移過程中可能會形成不同尺度的缺陷。研究者們將膜放置在兩個溶液腔之間，其中一側(cè)加入待擴散的溶液，并通過外加一定高度差的液柱提供靜水壓力，另一側(cè)則根據(jù)擴散組分的不同利用不同方法進行測試，比如利用電導率儀測試K＋與Cl－離子的擴散，利用紫外光譜來測試染料的擴散。

測試的原理如下：對于PC膜，其壓力驅(qū)動的流動速率大致正比于為D4/L（孔徑D和孔道長度L），擴散驅(qū)動的流動速率則為D2/L，而石墨烯壓力驅(qū)動的擴散速率則與缺陷孔徑D3相關。也就是說，50nm左右缺陷的石墨烯膜的壓力驅(qū)動流動阻力大致與PC膜的壓力驅(qū)動流動阻力相一致，而4nm左右缺陷的石墨烯膜的壓力驅(qū)動流動阻力則與PC膜的擴散驅(qū)動流動阻力相一致。

由此，石墨烯單晶膜的表面缺陷孔徑可以分為以下四種情況：1、大于50nm的缺陷，這種情況下PC膜同時存在壓力與擴散驅(qū)動的流動；2、10-50nm的缺陷，PC膜存在擴散驅(qū)動的流動但大部分壓力驅(qū)動的流動被阻礙；3、小于10nm的缺陷，PC存在部分的擴散驅(qū)動的流動，而壓力驅(qū)動的流動均被阻礙；4、亞納米的缺陷。

簡單的說，通過比較不同尺寸的分子在PC膜中和在石墨烯＋PC膜中的擴散，就可以判斷出不同尺寸的孔的存在。例如，如果石墨烯膜上僅有50nm以上的大孔，那不同組分如K＋、染料及乙醇的相對滲透分數(shù)（即在石墨烯＋PC中的流動速率/在PC中的流動速率）應該相同，但由于存在其它尺寸的孔，因此在滲透性上，離子與染料分子表現(xiàn)出了差異。另一方面，如果尺寸不同的分子并未表現(xiàn)出明顯的滲透性差異，則表面在其對應的范圍內(nèi)的孔較小。

相較于其他石墨烯分離膜的工作，這份工作并未從傳統(tǒng)的分離性能角度入手，反而著眼于不同分子在膜內(nèi)的滲透行為，反推膜的缺陷尺寸，并將其變?yōu)楸碚髂そY(jié)構(gòu)的一種新手段。構(gòu)思之巧妙，令人嘆服。