要說給石墨片加點(diǎn)氧，還能發(fā)頂刊，各位小伙伴們可能以為小編說的是要做氧化石墨烯？但現(xiàn)如今已經(jīng)是2022年了，所以并不是，咱氧化的是厚厚的石墨片，不是石墨烯。那么這是個(gè)什么故事呢？
新世紀(jì)前后，碳納米管剛剛發(fā)現(xiàn)不久，各種研究如火如荼，在頂刊上出場(chǎng)頻率可以說一點(diǎn)也不比現(xiàn)如今的魔角雙層石墨烯、鈣鈦礦等等晚輩低。碰巧那時(shí)候水通道蛋白的晶體結(jié)構(gòu)剛剛被解析出來（然后日常拿走了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)）。于是，腦洞比較大的一撥人開始琢磨是不是可以讓碳納米管來干通道蛋白干的事情呢？比較早的時(shí)候，人們是在考慮碳納米管能不能做水的通道（水管）。由于那時(shí)候納米加工技術(shù)遠(yuǎn)不如今天這么成熟，所以這種腦洞大開的想法還是比較適合做做計(jì)算。結(jié)果讓人直呼震驚：雖然碳納米管應(yīng)該是疏水的，但水分子在里頭跑的速度非?？?，速度甚至不輸給水通道蛋白。而原因是，水分子在碳納米管里排成了一條直線，速度當(dāng)然快。于是就發(fā)在了2001年的Nature上（Nature?，2001，414, 188–190）。

水在碳納米管內(nèi)形成單分子鏈，因此能快速輸運(yùn) 圖片來源：nature.com

這么有趣的現(xiàn)象（特別是還能發(fā)頂刊）立刻吸引了許多人的關(guān)注。其中就包括今天故事的主角，如今在法國巴黎高等師范學(xué)院（也在CNRS兼職）的Lydéric Bocquet教授。早年在表面浸潤性、流體力學(xué)等軟物質(zhì)物理方面的研究背景，讓他很快就在這個(gè)方向上有所建樹。2010年，知名的Chemical Society Review雜志決定為這個(gè)被命名為Nanofluidics的新興領(lǐng)域做了一期?？?，邀請(qǐng)大佬們寫綜述，Lydéric Bocquet教授就是其中之一。

自信滿滿的Lydéric Bocquet教授 圖片來源：CNRS官網(wǎng)

時(shí)間來到2013年，Lydéric Bocquet教授把研究對(duì)象從碳納米管換成了氮化硼納米管，發(fā)表了他在這個(gè)方向上的第一篇正刊（Nature, 2013, 494, 455–458）。他們發(fā)現(xiàn)直徑30納米的氮化硼納米管，竟然還可以選擇性的讓陽離子通過，這在碳納米管中是無法想象的。其原因是，在實(shí)驗(yàn)條件下，水分子能和氮化硼發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得氮化硼表面的實(shí)際電荷密度最高達(dá)到1 C/m2（每平方納米有9個(gè)電子）。

把單個(gè)碳納米管封在氮化硅膜上用于測(cè)量離子電導(dǎo)信號(hào) 圖片來源：nature.com

2019年，Lydéric Bocquet教授打起了石墨/石墨烯的主意。他與合作者對(duì)比了用石墨片做的納米通道與由氮化硼片制備的納米通道中水、離子傳輸過程中的差異，發(fā)現(xiàn)它們都表現(xiàn)出類似晶體管一樣的門控效應(yīng)，但響應(yīng)的幅度相差非常打，其不同可以歸結(jié)于這兩種材料和溶液中的水分子、離子的摩擦力不同。

石墨表面和氮化硼表面對(duì)溶液的摩擦力不同 圖片來源：nature.com

看到這里，各位讀者應(yīng)該不難發(fā)現(xiàn)，Lydéric Bocquet教授一直都在致力于探究納米通道的表面性質(zhì)對(duì)水、離子在其中的輸運(yùn)行為的影響。在最近的這篇Nature Materials中，他帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)想知道的問題是，經(jīng)過氧化處理的石墨表面做的納米通道，和原始的石墨表面會(huì)由什么不同？

測(cè)試裝置的示意圖以及兩種待測(cè)樣品的原子力、和拉曼表征 圖片來源：nature.com

他們用微納加工技術(shù)，在經(jīng)過氧化處理和未經(jīng)氧化處理的石墨表面加工出具有5-15納米深、數(shù)微米寬的通道，再覆蓋上一層石墨片，形成納米通道。上圖d中可以看到，經(jīng)過氧化處理（activated）的石墨的拉曼譜上多了一個(gè)很明顯的D帶，說明氧化處理在sp2碳上引入了很多缺陷。

而之后的離子電導(dǎo)測(cè)量中可以看出，相同電解質(zhì)濃度下，氧化處理的樣品離子電導(dǎo)（下圖e）明顯比未經(jīng)過處理的樣品（下圖a）要高。通過對(duì)電導(dǎo)數(shù)據(jù)的分析，他們發(fā)現(xiàn)，氧化處理后的石墨表面表觀zeta電位最高將近2V，而未經(jīng)處理的樣品表觀zeta電位總是低于100 mV。

氧化處理和原始的石墨制備的樣品的離子電導(dǎo)及其表觀zeta電位 圖片來源：nature.com

于是他們測(cè)試了用氧化活化后的石墨做的器件作為濃差電池的潛力，發(fā)現(xiàn)輸出功率甚至高達(dá)100 kW/m2，高于之前的絕大部分報(bào)道。

這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果讓他們更加確信了納米通道表面，特別是所帶電荷的數(shù)量，對(duì)于通道內(nèi)部離子和水的輸運(yùn)有著巨大的影響。

用氧化活化的石墨制備的器件做濃差電池 圖片來源：nature.com

相信看到這里的小伙伴們心里都有答案了。

對(duì)了，Lydéric Bocquet教授研究興趣其實(shí)是很廣泛也很有趣的。比方說，他曾經(jīng)仔細(xì)研究了打水漂的技巧，并且以“Secrets of successful stone-skipping”為題在Nature（2004年）上發(fā)表了一篇正兒八經(jīng)的論文，有興趣的小伙伴們可以戳底下的鏈接去看看。

結(jié)論是20度是打水漂最好的角度 圖片來源：nature.com

參考資料：http://www.phys.ens.fr/~lbocquet/index.htmlhttps://www.nature.com/articles/35102535https://www.nature.com/articles/nature11876https://www.nature.com/articles/s41586-019-0961-5https://www.nature.com/articles/s41563-022-01229-x

https://www.nature.com/articles/427029a

作者：荷塘月? 來源：高分子科學(xué)前沿

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