Only Perception: 「紙與剪刀」技術震撼奈米世界

2013-01-11

「紙與剪刀」技術震撼奈米世界

Paper-and-scissors technique rocks the nano world
http://phys.org/news/2012-11-paper-and-scissors-technique-nano-world.html

November 14, 2012

有時候，簡單就是最好。二位西北大學（Northwestern University）的研究者發現一種非常簡單的、製造奈米流體裝置的方法：使用紙與剪刀。而且他們能將裝置裁剪成他們想要任何形狀與大小，為此方法的通用性（ versatility）錦上添花。

奈米流體裝置之所以受到矚目是因為它們微小的通道（channels）能運輸離子 -- 以及隨之而來，高於一般的電流 -- 使的這些裝置可望用於電池與水純化、收穫能源以及 DNA 排序等新系統。

這種「紙與剪刀」方法有朝一日能用來製造大尺度奈米流體裝置而無須依賴昂貴的微影技術。

西北大學二人組發現，單單將廉價的材料 -- 石墨烯氧化物（graphene oxide） -- 層層堆疊就能創造出有彈性的「紙」，具有成千上萬條非常有用的通道。相鄰薄片之間會自然形成微小的隙縫（gap），而每個隙縫都是一個離子能流動的通道。

利用一把一般的剪刀，研究者就能將「紙」剪成想要的形狀（那在其實驗中是矩形）。

"在某種程度上，我們對於這些奈米通道事實上有效感到驚訝，因為要創造這種裝置如此輕而易舉，" Jiaxing Huang 表示，他與博士後研究 Kalyan Raidongia 主持這項研究。"沒人曾想過關於薄片狀材料之間空間。把這些空間當成流動通道是一種很詭異的點子。在我們確信我們是對的之前，我們至少將我們的實驗重做十遍。"

Huang 是一位材料科學與工程助理教授，以及 McCormick 工程與應用科學學院 Morris E. Fine 材料與製造資淺教授。

"許多人都在研究石墨烯氧化物紙，不過主要都是在它們的力學特性或是在製造石墨烯上，" Huang 表示。"在此，我們證明石墨烯氧化物紙，當其成層（layered）時，自然能產生為數眾多的奈米流體離子通道。"

這些發現已發表在 Journal of the American Chemical Society 期刊中。

為了創造一個可用的裝置，研究者拿把剪刀並將一片石墨烯氧化物紙剪成一個一公分長的矩形。他們接著將紙封裝到一種聚合物中，將矩形末端鑽孔使其暴露在外，並在孔內裝滿電解液（包含離子的液體）以完成這個裝置。

接下來，他們在兩端放上電極，並測試該裝置的導電度（electrical conductivity，電導率）。 Huang 與 Raidongia 觀察到高於一般的電流，而且該裝置無論平坦或彎曲都有效。

這些奈米通道與其大型通道相似物有著明顯不同（而且是我們想要的）特性，Huang 說。奈米通道有著濃縮效應（concentrating effect），導致它們比大型解決方案中的那些，有著高了許多的電流。

石墨烯氧化物基本上是以含氧基修飾的石墨烯薄片。那以便宜的石墨粉，進行一百多年前就已知曉的化學反應製成。

要將裝置的尺寸擴大很簡單。成千上萬張（或層）創造出成千上萬個奈米通道，每個通道大約 1 奈米高。層數並無限制 -- 通道因此亦無限制 -- 你可以把它做成一張紙。

要製造非常大規模的通道陣列，你只須將更多石墨烯氧化物薄片放入「紙」中，或是將許多張「紙」疊在一起。當然，更大型的裝置，能處理更大量的電解質。

※ 相關報導：

＊ Nanofluidic Ion Transport through Reconstructed Layered Materials
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja308167f