科学家利用涡环效应开发出石墨烯气凝胶颗粒用于高效水净化
LGO具体形状的GO-VR相图。(a) GO-VR 制造装置的示意图。(b) GO 液滴穿透 CTAB 溶液并形成涡环的高速摄影图像。(c) GO-VR 的甜甜圈、球形和水母形貌的光学和 SEM 图像。(d) 由 LGO 形成的 GO-VR 形状相图 (PD) 随 GO 和 CTAB 浓度以及撞击高度的变化而变化。PD1 的固定撞击高度为 1 厘米。PD2 的固定 GO 浓度为 2 mg/ml。PD3 的 CTAB 浓度固定为 4 mg/ml。
由国家石墨烯研究所 (NGI) 的 Aravind Vijayaraghavan 教授领导的团队在《分子液体杂志》上撰文，利用涡环效应的变化，制造出由石墨烯制成的三维粒子，具有许多有趣的形状。同样的效果用于产生烟圈，并负责保持蒲公英种子飞行。这些颗粒也被证明在吸附水中污染物方面非常有效，从而净化水。
研究人员表明，这些石墨烯颗粒的形成受不同力（如粘度、表面张力、惯性和静电）之间复杂的相互作用控制。Vijayaraghavan 教授说：“我们进行了一项系统研究，以了解和解释粒子形成过程中涉及的各种参数和力的影响。然后，通过定制这个过程，我们开发了非常有效的粒子，用于从水中吸附净化污染物。”
氧化石墨烯 (GO) 是石墨烯的一种功能化形式，可在水中形成稳定的分散体，具有许多独特的特性，包括作为液晶。单个 GO 薄片只有一个原子那么薄，宽度相当于人类头发的厚度。然而，为了发挥作用，它们需要组装成复杂的 3 维形状，以保持其高表面积和表面化学性质。这种多孔的 3 维 GO 组件称为气凝胶，当充满水时，它们称为水凝胶。
图片来源：分子液体杂志(2023)。
研究人员使用另一种称为 CTAB（十六烷基三甲基溴化铵）的液晶材料将 GO 薄片聚集成氧化石墨烯水凝胶的小颗粒，而无需将它们还原为石墨烯。这是通过将 GO 分散体以小液滴的形式滴入 CTAB 水溶液中来实现的。
当 GO 液滴撞击 CTAB 溶液的表面时，它们的行为与热烟雾射流撞击冷空气时的行为非常相似。由于两种液体的密度和表面张力不同，GO 液滴以环形或环状形式流入 CTAB 溶液。
通过控制这个过程的各种参数，研究人员已经生产出球体（球）、环形（甜甜圈）和类似水母的中间形状的颗粒。邵逸珍博士，刚毕业的博士。学生和这篇论文的主要作者说，“我们已经开发了一个用于形成这些形状的通用相图，基于四个无量纲数——韦伯数、雷诺数、Onhesorge 和韦伯数，代表惯性、粘性、表面张力和静电力。这可用于通过改变形成参数来精确控制粒子形态。” 研究人员使用高速摄影来捕捉这些粒子形状的形成和演变——如图所示。
作者强调了这些颗粒在水净化中的重要性。聂凯文，博士 该论文的学生和合著者说：“我们可以调整这些颗粒中石墨烯薄片的表面化学性质，以从水中提取带正电或带负电的污染物。我们甚至可以通过适当地功能化石墨烯来提取不带电的污染物或重金属离子表面。”
编辑：澜澜
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