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石墨烯多种新用途丨保护玻璃、提高成像技术

“神奇材料”石墨烯,除了是目前已知的最坚硬材料外,还是目前最纤薄的涂层,保护铜、镍等金属免受腐蚀。科学家最新发现,石墨烯涂层可能是理想的抗腐蚀涂层,在玻璃防护方面,也具有独特的防护效力!还能破解现有金或铂涂层不能生物成像的难题,帮助形成高分辨率的电磁图像!

保护玻璃

玻璃兼具防腐和耐化学物质特性,因而在包装材料上应用于化学物质和药品防护。但是,在高湿度和PH环境条件下,韩国科学家发现,某些质地的玻璃会发生腐蚀,造成其透明性和强度降低。特别是在热带和潮湿环境条件下,传统意义上这种最普通、最古老的硅酸盐玻璃最容易被水腐蚀掉,这对于制药、环境和光学工业,后果非常严重。

韩国科学家介绍道,“虽然玻璃的形式有很多种,但是普通的玻璃成分主要是二氧化硅(SiO2)以及少量的氧化钠(Na2O)添加剂。玻璃的腐蚀是从表面吸附水分开始的。水中的氢离子扩散到玻璃中,与玻璃表面钠离子发生离子交换,玻璃表面水分PH值升高,使得硅酸盐结构分裂”(图一:水分腐蚀玻璃原理)。

石墨烯多种新用途丨保护玻璃、提高成像技术

图1 水分腐蚀玻璃原理

科学家一直寻求在玻璃上形成保护涂层,保护其免受损伤。理想的玻璃涂层应该是纤薄、透明,同时具有优异的隔绝化学物质的特性。石墨烯是化学惰性的,薄且具有高透光率,非常有望作为涂层材料得以应用。更重要的是,归因于其优异的化学阻隔作用,它甚至可以隔绝氦原子的穿透。因此,石墨烯正被探索作为保护涂层在耐腐蚀、抗氧化、耐摩擦、抗菌和抗电磁辐射材料上加以应用。

日前,韩国基础科学研究所(IBS)多维碳材料中心(CMCM)研究人员开发了石墨烯涂层(图二:石墨烯涂层制备及前后的变化),应用于玻璃防护,解决了玻璃杯工业界的防腐难题。

石墨烯多种新用途丨保护玻璃、提高成像技术

图2 石墨烯涂层制备及前后的变化

IBS科学家首先采用成熟的CVD法在铜基体上生长石墨烯,然后把一到两个单原子厚度的石墨烯片层转移到矩形玻璃两层。通过涂层前后水分渗透性测试表征石墨烯涂层的有效性。在60℃、120天水分渗透性测试中,研究人员发现没有涂层的玻璃表面粗糙度和缺陷增加迅速,强度也逐渐降低。相反,单层或双层石墨烯涂层的玻璃杯在断裂强度和表面粗糙度上居然没有任何变化(图三:玻璃涂层前后变化)。

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图3 玻璃涂层前后变化

“这项研究的目的是为了验证CVD法制备的石墨烯是否可以转移到玻璃上,同时保护玻璃免受水分腐蚀。我们的研究结果表明即使单原子厚度的石墨烯也会发挥涂层保护作用,”CMCM主任,兼蔚山国家科学技术研究所(UNIST)教授Ruoff解释道,“未来,当大面积、高品质石墨烯可以工业化制备后,通过优化石墨烯转移到玻璃上工艺,我们完全有理由相信石墨烯涂层在玻璃防护方面将会有大规模地应用”。

科学家们甚至表示,石墨烯涂层可能是最理想的抗腐蚀涂层,可以应用于很多方面,尤其是需要纤薄涂层的领域,比如用来包裹连接设备和航空航天设备以及用于移植设备中的微电子元件等。

提高成像

来自国立首尔大学和曼切斯特大学的研究人员发现,生物样品上的石墨烯涂层有助于消散非破坏性电子显微镜成像期间样品表面的电荷积聚。这种积聚具有破坏性并且妨碍高分辨图像的获取。

目前使用的金或铂涂层意味着研究人员无法获取高分辨的样品图或者采取进一步的定量/定性化学分析,如能量散射谱(EDS)。现在,研究小组发现,由于石墨烯的高导电性,生物样品上的一层石墨烯可以消散生物样品不导电表面的电荷积聚。研究人员解释说,一旦过量的电荷出现在样品表面上,石墨烯膜为这些电荷的迅速消失提供传导通道,因此可以获得具有高分辨率的电磁图像。

石墨烯多种新用途丨保护玻璃、提高成像技术

另外,石墨烯的高导热性可以使其消散由显微镜的高能电子产生的多余热量,从而防止生物标本的热损伤或变形等。由于石墨烯对于电子束来说是高度透明的,所以电子很容易穿透它深入到样品中。

例如,这些电子激发样品内部各原子并最终产生特征X射线,这种射线很容易通过石墨烯膜从样品表面逃脱,从而到达EDS探测器。相反,电子被阻止进入具有金属涂层的生物样品,并且由于金属涂层的大电子散射截面,样品内部产生的任何X射线也不能很容易的逃脱。

研究小组还发现,石墨烯可以用于液相环境中的包封大分子(例如,DNAs或者蛋白质),并且它在真空环境下是稳定的。“这可以使我们获取这些分子内部生物过程中原位且实时的电磁图像,在电磁样品的制备中使用传统的方法很难完成(只在高真空下工作)。

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覆盖有石墨烯和金属薄膜样品的扫描电镜图像

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不同尺度下具有不同涂层的生物物体用于电磁分析的示意图

研究人员称:该技术为他们提供了一种探索生物现象的新方法。例如,我们正在观察具有石墨烯自组装的生物物体在液体中如何被包封。并尝试与其他技术相结合,例如低温透射电子显微镜(TEM)和原子力显微镜(AFM),已被成功证明可用于观察这些实时的过程,因此,研究人员认为该技术有助于了解这些新的见解。

本文来源:综合编辑烯碳资讯、石墨烯网、上海碳源汇谷的报道,感谢作者的精彩分享!转载请注明出处

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