大家好！今天一起探究通過堆疊的Janus石墨烯層製造防潮膜的原理。石墨烯薄膜有著超厲害的不滲透性，理論上能阻擋所有氣體和液體，在很多領域都有大用處，比如食品、醫藥、電子等行業都需要它來防潮和阻擋活性氣體。但傳統的石墨烯薄膜有不少問題，今天咱們就看看科學家們怎麼解決這些問題，造出的防潮膜。

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一、傳統石墨烯薄膜的困境

傳統的石墨烯屏障薄膜一般是由納米尺寸的石墨烯薄片堆疊而成，比較厚，這就影響了它的光學透明度和柔韌性。而且，CVD法制備的大面積石墨烯薄膜有缺陷，像點缺陷、褶皺和晶界，這些缺陷會讓水分和氣體容易擴散進來。

目前，堆疊的石墨烯薄膜的防潮性能（WVTR值）只能達到10−3g/(m2⋅day)這個水準，對於它的擴散機制和影響因素，大家還不太清楚。之前人們嘗試在石墨烯表面沉積無機材料，或者用自組裝分子來解決問題，但都不太理想。

二、Janus石墨烯防潮膜的誕生

為了解決這些問題，科學家們想到了一個好辦法，就是製造Janus石墨烯。

他們對石墨烯進行雙面表面改性，在一面裝飾含氟和氧的基團，這樣能讓石墨烯和支撐聚合物緊密貼合，還能保持疏水表面，防止水吸附；另一面用氧等離子體處理，讓表面變得親水，減少水在表面的擴散。

然後，在兩層Janus石墨烯之間插入超薄的TBO分子，進一步阻止水的擴散。通過這樣的方法，製造出的雙層石墨烯防潮膜的水汽透過率（WVTR）低至5×10−5g/(m2⋅day)，比之前的研究低了兩個數量級，和商用無機防潮膜差不多，但厚度比它們薄至少一個數量級。

三、防潮膜的製備過程

這個防潮膜是怎麼製作的呢？

先在銅箔上用CVD法生長石墨烯，然後用反應離子蝕刻（RIE）在石墨烯表面引入含氟和氧的基團，接著旋塗一層PVDF，幫助蝕刻銅箔，這樣就能露出另一面未處理的石墨烯。再用低功率的氧等離子體處理這一面，讓它變成親水表面。

之後旋塗TBO層，最後把另一個Janus石墨烯薄膜層壓在TBO層上，就得到了最終的防潮膜。在這個過程中，RIE處理能讓石墨烯從銅箔上無裂紋轉移，氧等離子體處理能改變石墨烯表面的潤濕性，還能讓TBO分子均勻分佈在石墨烯表面。

四、性能測試與優勢

科學家們對製備的雙層石墨烯薄膜進行了各種測試。

通過電鈣測試來測量它的防潮性能（WVTR值），發現它的WVTR值低至5×10−5g/(m2⋅day)，比多層石墨烯薄膜的WVTR值低很多，和之前報導的石墨烯基防潮膜相比，性能有了很大提升，甚至比一些需要複雜製備過程的無機氧化物的防潮性能還要好。

而且，他們還研究了不同環境條件對防潮膜性能的影響，發現熱迴圈、相對濕度和紫外線暴露等會有影響，彎曲時如果dL值大於18mm（初始長度L=35mm），石墨烯會出現裂紋或褶皺，導致WVTR值升高。

五、作用機制揭秘

為什麼這個防潮膜性能這麼好呢？這就要從它的表面改性和插入分子的作用說起。

RIE處理會在石墨烯晶格中引入新的基團，產生缺陷相關的D峰，適量的RIE處理能提高石墨烯和聚合物的潤濕性，防止裂紋產生，但過度處理會損壞石墨烯晶格。氧等離子體處理雖然會在石墨烯晶格中引入羥基，產生一些缺陷，但能讓石墨烯表面變成親水的，增強水與表面的相互作用，還能讓TBO分子均勻分佈。

TBO分子和水的相互作用很強，能進一步降低水的擴散。通過密度泛函理論（DFT）計算和分子動力學（MD）類比，發現羥基化的親水表面能增強水與表面的相互作用，降低水的滑動長度，從而提高防潮性能。

六、總結與展望

總的來說，製造高性能石墨烯防潮膜的關鍵在於表面改性和分子插入。

要讓接觸支撐聚合物的石墨烯表面能讓聚合物溶液良好潤濕，避免裂紋；整個薄膜的外表面要疏水，防止水吸附；石墨烯薄膜的內表面要親水，增強水與表面的相互作用；插入的芳香分子要能均勻分佈在石墨烯表面，和擴散的水有更強的相互作用；插入分子的厚度要盡可能薄。基於這些原理，科學家們製造出了A3尺寸的石墨烯防潮膜。

未來，如果要實現商業化應用，還需要開發基於卷對卷轉移路線的批量轉移系統，配備等離子體處理系統和薄膜張力的感測器及控制系統，引入TBO和PVDF的噴塗以及基於氣泡的分層技術。

七、一起來做做題吧

1、關於傳統石墨烯薄膜的描述，正確的是？

A.由單層石墨烯構成

B.光學透明度和柔韌性極佳

C.存在缺陷影響防潮性能

D.水汽透過率（WVTR）能達到5×10−5g/(m2⋅day)

2、Janus石墨烯的製備過程中，RIE處理的作用不包括以下哪一項？

A.引入含氟和氧的基團

B.使石墨烯從銅箔上無裂紋轉移

C.讓石墨烯表面變成親水的

D.提高石墨烯與聚合物的潤濕性

3、在雙層石墨烯防潮膜中，TBO分子的主要作用是？

A.增強石墨烯的導電性

B.進一步阻止水的擴散

C.提高薄膜的柔韌性

D.使石墨烯表面疏水

4、以下哪種情況會導致雙層石墨烯防潮膜的WVTR值升高？

A.適當的RIE處理

B.氧等離子體處理時間過長

C.插入單層TBO分子

D.石墨烯與聚合物完全貼合

5、製造高性能石墨烯防潮膜的關鍵因素不包括以下哪一點？

A.表面改性

B.分子插入

C.增加石墨烯層數

D.控制插入分子厚度

書目：

Zhou, C., et al. Principles for fabricating moisture barrier films via stacked Janus graphene layers. Nat Commun 16, 3512 (2025).