石墨烯/聚合物复合纳米孔制备及其应用研究

The graphene nanopore, because of thin thickness and high mechanical strength, not only can be used in filtering and separating gas molecules and solution ions, but also will play important role in detecting biological molecules and DNA. Now, the graphene nanopore has been fabricated with focused electron beam and used to detect molecules and DNA successfully. But the porous graphene with large area (>1cm^2), high pore density (10^7/cm^2) can not been prepared with current method, and this prevents the further research works on filtering and separating molecules and ions with graphene nanopore. In this proposal, by constructing graphene/polymer complex structure, the graphene/polymer complex nanopore with large area and controllable pore density (single-10^7/cm^2) could be prepared by combining heavy ion irradiation technology with unsymmetrical etching technology. The ion transport properties in graphene nanopore and the graphene/polymer nanopore’s function of separation and filtration molecules and ions will be studied in this project. Meanwhile, the work on detecting biological molecules and DNA with graphene/polymer nanopore will also be performed. The applications of graphene nanopore in water treatment, biological molecule detection and nanofluidic device development will be highly promoted through conducting the proposal.

石墨烯纳米孔由于其厚度薄、机械强度高，不仅可以用于气体分子、溶液离子的分离和过滤，还可以用于生物分子和DNA检测。目前科学家已经利用聚焦电子束刻蚀方法在石墨烯上制备出纳米孔并成功开展了分子和DNA检测等相关工作。但是当前方法无法制备大面积（>1cm^2）、高孔密度（10^7个/cm^2）多孔石墨烯，严重阻碍了石墨烯纳米孔在分子、离子分离和过滤方面相关研究。本项目通过构建石墨烯/聚合物复合结构，采用重离子辐照技术和非对称化学蚀刻技术相结合的方式，可以制备出大面积、孔密度可调（单孔—10^7个/cm^2）的石墨烯/聚合物复合纳米孔。该项目不仅拟研究溶液中离子在石墨烯纳米孔的传输特性以及石墨烯/聚合物复合纳米孔对溶液离子的分离和过滤功能，还将利用石墨烯/聚合物复合纳米孔开展生物分子和DNA检测相关研究。全新的石墨烯纳米孔制备方法必将推进其在水处理、生物分子探测与检测、纳流控器件研发等方面的发展。

单原子层厚度的石墨烯具有厚度薄、机械强度高、化学稳定性好等优点，同时在常压条件下对于任何分子均不透过，是制备固态纳米孔的理想材料。石墨烯纳米孔由于上述优点在生物、物理和纳流控器件等领域具有重要的应用前景。目前常规的石墨烯纳米孔制备方法是借助于聚焦离子束或电子束等方法制备出石墨烯纳米孔，但这种方法具有效率低，步骤繁琐等不足之处，无法快速制备大面积石墨烯纳米孔。本项目在前期重离子与二维材料相互作用基础上提出重离子辐照技术制备石墨烯纳米孔，系统开展重离子辐照制备具有微孔支撑的石墨烯纳米孔新工艺和方法，研究了单复合纳米孔对不同离子传输特性的影响以及多孔石墨烯纳米孔的离子分离特性，并借助于密度泛函理论对实验结果给出了合理的解释。通过项目顺利开展，已经确立了重离子辐照结合非对称化学蚀刻制备具有微孔支撑的石墨烯纳米孔新方法和工艺；研究发现单石墨烯/聚合物复合纳米孔对不同离子传输具有良好的调控功能，实现与纯聚合物纳米孔截然不同的整流效应，出现了整流效应的反转，同时表现出很大的整流系数，其值可达190。除了单石墨烯纳米孔表现出离子传输调控能力之外，多孔石墨烯同样表现出优异的离子调控能力。该项目研究中证实多孔石墨烯纳米孔具有良好的离子分离能力，可以实现具有不同价态、不同种类离子的分离。通过该项目的执行，不仅扩展了重离子与材料相互作用研究范围，开辟了重离子束快速制备石墨烯纳米孔的新方法，而且纳流控器件的研发提供了翔实的实验数据和依据。