麻省理工学院的研究人员发现了一种方法，当材料在实验室中生长时，可以直接在石墨烯中“精确”地定位微观孔。利用这项技术，他们已经制造了相对较大的石墨烯薄片（大约相当于邮票大小），其孔可以使从溶液中过滤某些分子的效率大大提高。

空穴通常被认为是不需要的缺陷，但麻省理工学院的研究小组发现，石墨烯中的某些缺陷在透析等领域是一种优势。一般来说，实验室中使用更厚的聚合物膜从溶液中过滤出特定的分子，如蛋白质、氨基酸、化学品和盐。如果石墨烯能够通过某些分子而不是其他分子的选择性大小的孔进行调整，那么石墨烯可以大大改进分离膜技术。

研究人员还发现，在生长石墨烯的正常过程中，只要降低温度，就会产生精确大小范围内的孔隙，因为大多数透析膜的目的是过滤的分子。因此，这项新技术可以很容易地集成到石墨烯的任何大规模制造中，例如团队先前开发的逐卷制程。

“如果你把它带到一个卷到卷的制造过程中，它是一个游戏改变者，”主要作者Piran Kidambi说，他以前是麻省理工学院的博士后，现在是范德比尔特大学的助理教授。“你不需要任何其他东西。只要降低温度，我们就有了一套完整的石墨烯薄膜生产设备。”

Kidambi和他的同事以前开发了一种在石墨烯中生成纳米大小的孔的技术，首先使用传统方法制造原始石墨烯，然后使用氧等离子体蚀刻掉完全成形的材料以形成孔。其他研究小组已经使用聚焦离子束系统地在石墨烯上钻孔，但基达比说，这些技术很难融入任何大规模的制造过程。

“这些过程的可扩展性非常有限，”Kidambi说。“它们需要花费太多时间，而且在工业上快速发展的过程中，这种造孔技术将具有挑战性。”

因此，他寻找了以更直接的方式制造纳米多孔石墨烯的方法。作为剑桥大学的一名博士生，Kidambi寻找制造原始、无缺陷石墨烯的方法，用于电子领域。他试图将化学气相沉积（CVD）过程中石墨烯的缺陷降到最低。基达比说：“当时我意识到了这一点：我只需要回到我的流程库中，找出那些给我带来缺陷的流程，然后在我们的CVD炉中进行测试。”

研究小组发现，只要将熔炉温度降低到850到900摄氏度，他们就能在石墨烯生长过程中直接产生纳米大小的气孔。“当我们尝试这个的时候，它真的起作用让我们有点惊讶，”基达比说。“这种[温度]条件确实给了我们制造石墨烯透析膜所需的尺寸。”

卡尼克补充说：“这是最终使石墨烯薄膜在一系列应用中实用的几个进展之一。”它们可以用于生物技术分离，包括制备药物或分子疗法，或者可能用于透析疗法。

虽然研究小组并不完全确定为什么较低的温度会产生纳米多孔石墨烯，但Kidambi怀疑这与反应中的气体是如何沉积到基底上有关。

基达比解释说：“石墨烯的生长方式是，注入气体，气体在催化剂表面分解，形成碳原子团，然后形成核或种子。”所以你有许多小的种子，石墨烯可以从中开始生长，形成一个连续的薄膜。如果你降低温度，你的成核门槛就低了，所以你得到了很多核。如果你有太多的核，它们就不能长得足够大，而且更容易出现缺陷。我们不清楚这些缺陷或气孔的形成机制，但我们每次都能看到。”

研究人员能够制造出石墨烯的纳米多孔板。但是由于这种材料非常薄，现在单是布满了小孔，如果有任何分子溶液流过它，它很可能会散开。因此，研究小组采用了一种方法，在石墨烯上浇注一层更厚的聚合物支撑层。

支撑的石墨烯现在足够坚硬，可以承受正常的透析过程。但即使目标分子要穿过石墨烯，它们也会被聚合物载体阻挡。研究小组需要一种方法来在聚合物中产生比石墨烯大得多的孔隙，以确保通过超薄材料的任何小分子都能轻松快速地通过更厚的聚合物。

研究小组最终发现，通过将铜、石墨烯和聚合物浸入水溶液中，并使用常规工艺蚀刻掉铜层，同样的工艺自然会在聚合物载体中形成比石墨烯中的孔大数百倍的大孔。结合他们的技术，他们能够制造出纳米多孔石墨烯薄片，每一片大约5平方厘米。

“据我们所知，到目前为止，这是最大的原子厚度的纳米多孔膜，直接形成小孔，”Kidambi说。

目前，研究小组已经在石墨烯中产生了大约2到3纳米宽的孔，他们发现这些孔足够小，可以快速过滤氯化钾（0.66纳米）等盐类，以及氨基酸L-色氨酸（约0.7纳米）、食用色素诱惑红染料（1纳米）和维生素B-12（1.5纳米）等小分子。纳米）到不同程度。这种材料不能过滤出稍大的分子，如卵蛋白溶菌酶（4纳米）。该小组现在正致力于调整石墨烯孔的大小，以精确过滤各种大小的分子。

基达比说：“我们现在必须控制这些尺寸缺陷，制造出大小可调的毛孔。”缺陷并不总是不好的，如果你能制造出正确的缺陷，你可以在石墨烯上有许多不同的应用。

麻省理工学院的合著者包括Kidambi，机械工程副教授Rohit Karnik，电气工程和计算机科学教授Jing Kong，以及牛津大学、新加坡国立大学和橡树岭国家实验室的研究人员。