【原】刘忠范院士团队：石墨烯新应用，创造记录！

石墨烯是一种由单层碳原子以六边形排列组成的二维材料，因其出色的力学性能、导电性和柔韧性受到广泛关注。尽管石墨烯具有这些优异的特性，但它在某些应用中仍面临挑战，尤其是在防潮技术领域。一个主要问题是，尽管石墨烯理论上可以阻止气体和液体的渗透，但当多个石墨烯层叠加时，依然会在层与层之间留下微小的缝隙，使水分渗透成为可能。

鉴于此，北京大学刘忠范院士团队提出了一种解决方案——制备了大面积石墨烯阻隔膜，其湿气透过率 (WVTR) 创历史新低，使用Janus石墨烯层，以明显改善基于石墨烯的防潮薄膜的性能。该研究为CVD石墨烯的表面/界面工程开辟了一条新路径，有望应用于先进封装中。

图1. 通过Janus表面改性制备双层石墨烯膜。

Janus石墨烯层

"Janus"这个词源自罗马神话中的双面神，指的是具有两个不同面或特性的结构。在石墨烯的应用中，研究人员通过对石墨烯的两面进行不同的表面处理，创造了一种Janus结构。一面石墨烯表面被修饰为亲水性（吸水）基团，而另一面则被修饰为疏水性（排水）基团。这种独特的改性使得石墨烯在不同的环境中能表现出不同的性质。亲水的一面有助于捕获水分，而疏水的一面则能够有效阻止水分渗透。

石墨烯是一种理想的防渗透材料，其结构使它理论上可以阻止气体和液体的渗透，但实际上，当石墨烯薄膜堆叠时，它的防潮性能并不理想。这是因为石墨烯层中的缺陷会形成水分渗透的通道。为了解决这一问题，研究人员提出了通过增加石墨烯层之间的紧密接触来减少这些通道。这样可以有效降低水分渗透的可能性。

研究人员将两层Janus石墨烯薄膜叠加，其中一层的疏水面与另一层的亲水面接触。两层石墨烯之间还夹有一层Toluidine Blue O（TBO）分子，进一步增强了防潮性能。TBO分子与水分子之间具有强烈的相互作用，能有效阻止水分通过石墨烯层。这种三层结构——两层Janus石墨烯和一层夹在其中的TBO分子——在实际应用中表现出明显改进，WVTR低至5×10^-5 g/(m²·day)，比以往的石墨烯防潮薄膜低了两个数量级。

图2. 双层石墨烯阻隔膜的无裂纹转移及阻隔性能。

为了实现这种增强的防潮效果，研究人员采用了一系列表面改性技术。首先，通过反应离子刻蚀（RIE）处理石墨烯薄膜的一个面，引入氟和氧基团，从而帮助石墨烯在转移过程中不产生裂纹。然后，将石墨烯暴露于氧等离子体中，使其另一面变得亲水。

在石墨烯转移到支撑聚合物薄膜后，研究人员将TBO分子涂覆在亲水的一面。这些分子会形成一道屏障，有效地捕捉水分，防止其渗透。当两层Janus石墨烯薄膜叠加在一起，并且TBO分子被夹在其中时，最终形成了一个非常高效的防潮薄膜。

图3. 表面改性和插入的 TBO 分子对改善阻隔性能的贡献。

这些基于石墨烯的防潮薄膜的性能与现有的无机材料相媲美，甚至在某些方面更甚。在许多应用中，如食品包装、电子产品和光电子领域，都需要薄而柔韧的薄膜来防止水分和气体的渗透。通过Janus石墨烯层制造的防潮薄膜不仅满足了这一需求，而且由于其大面积生产的可扩展性，适合用于需要光学透明度的应用，如柔性电子和先进的封装技术。

该研究为石墨烯在各个领域的应用开辟了新的可能性，尤其是在高性能封装材料的开发中。但在商业化之前仍然存在一些挑战。其中一个问题是如何开发出成本效益高且适用于大规模生产的制造工艺。目前的制造方法包括将石墨烯转移到聚合物薄膜上并涂覆TBO分子，这些步骤可能不适合大规模生产。此外，薄膜的防潮性能可能随着时间的推移而退化，尤其是在暴露于极端环境条件下（如紫外线或高湿度）。因此，仍需进行更多的研究，以了解这些薄膜在不同环境下的长期稳定性，并开发出增强其耐久性的方法。

总之，利用层叠Janus石墨烯层制造高性能防潮薄膜是先进材料开发的一个重要进展。通过对石墨烯薄膜表面进行合理的改性，并插入像TBO这样的功能性分子，研究人员成功制造出了具有卓越防潮性能的薄膜，不仅为石墨烯的应用提供了新的思路，也为下一代封装材料的开发奠定了基础。随着研究的深入，预计这些石墨烯防潮薄膜将在包装、电子和光电子等领域得到广泛应用。

原文信息：Zhou, C., Gao, H., Bu, S. et al. Principles for fabricating moisture barrier films via stacked Janus graphene layers. Nat Commun16, 3512 (2025). https:///10.1038/s41467-025-58799-y