单片石墨烯由单原子厚的碳点阵构成，看起来似乎相当脆弱。但麻省理工学院的工程师们发现，这种超薄材料其实非常坚固，在至少100巴（注：1巴=100000帕）的压力下仍能保持完好。这么高的压力大概是普通厨房水龙头所产生压力的20倍左右。

研究人员发现，耐受如此高压的关键是将石墨烯与薄的底层基底良好结合，并且该基底需要布满微小的孔或孔隙。衬底的孔隙越小，石墨烯在高压下的弹性就越高。

图片所示：在左侧，原子力显微镜图像在100巴的突发测试之后显示纳米孔石墨烯膜。 该图像显示失败的微膜（黑色黑色区域）与石墨烯中的皱纹对齐。 在右侧，石墨烯膜的两个放大的扫描电子显微镜图像显示在压力差为30巴的爆破试验之前（上）和之后。 图像说明，膜衰竭与沿着皱纹的内在缺陷相关。

由研究人员提供

麻省理工学院机械工程系副教授Rohit Karnik表示，该团队的成果如今已在Nano Letters杂志上发表。并且此文可作为一篇设计指南，可帮助研究者设计出一种坚韧的石墨烯薄膜。这种薄膜特别适用于海水淡化等应用领域，其中所用到的过滤膜就是要承受高压流动，才能有效地去除海水中的盐分。

卡尼克（Karnik）说：“我们在文中表示，石墨烯有可能推动高压膜分离技术向前发展。如果可以促进石墨烯膜在高压下脱盐，那么在高盐度条件下就能够开发出许多有趣的可再生能源来。

除了卡尼克，论文作者还有：王培达（首席作者，麻省理工学院博士后）、前本科生克里斯托弗•威廉姆斯、前研究生迈克尔•布蒂利耶、以及皮兰•比迪比博士。

 水压

如今，现有的过滤膜基本都是通过反渗透作用来将水脱盐。这种方法是通过在膜的含有盐水的那一侧施加压力，以促使纯水透过薄膜，同时阻挡盐和其它分子通过。

目前，许多商业膜是在约50至80巴的压力下对水进行脱盐，如果高于此压力，这些薄膜就有可能被破坏。假如膜能够承受100巴或更高的压力，那它们将能回收更多的淡水，从而实现更有效的海水淡化。另外，高压膜也能净化含盐极多的水，例如制盐后的剩余盐水，但对于普通膜而言，往往因其浓度太高而不能促使水分自发地通过过滤膜。

卡尼克说：“很明显，在任何时候，对水资源通过施压进行净化的方法不会被遗弃，因为海水淡化是淡水的主要来源，反渗透是水资源方面最为有效的脱盐方法。如果这种膜可以在更高的压力下运行，那么在高能量效率下有更高的水回收率也将会成为可能。”

 增大压力

卡尼克和他的同事们设计了一个实验，以观察他们到底能够施加多大的压力给石墨烯。先前的模拟预测是：放置在多孔载体上的石墨烯可以在高压下保持完好。然而迄今为止，没有直接的实验证据证明这些预测是成立的。

研究人员采用化学气相沉积法（CVD）制备了石墨烯膜，然后将单层石墨烯膜放置在多孔的聚碳酸酯薄片上。每个片材设计有特定尺寸的小孔，这些小孔的直径在30纳米至3微米之间。

为了测量石墨烯的坚固程度，研究人员把测试对象集中在他们所谓的“微膜”上——悬浮在底层基底毛孔上的石墨烯区域，类似于瑞士奶酪孔上的细丝网。

该团队将“石墨烯—聚碳酸酯膜”放置在反应箱中间进行实验，并使用压力调节器来控制气体的压力和流速。研究人员还测量了腔室下半部分的气体流量，并推测，下半部分气体流量的任何增加都将表明，该部分石墨烯膜因上半部分产生的压力而失效或“爆裂”。

实验中他们发现，放置在孔隙为200纳米或更小孔隙的基体上的石墨烯，可耐受100巴的压力——这几乎是脱盐时所用到的压力的两倍。另外，研究人员观察到，随着底层孔尺寸的减小，保持完整的微膜数量在增加。卡尼克说，这种孔径对于确定石墨烯的坚固度至关重要。

卡尼克还解释说：“石墨烯就像一座悬索桥，所施加的压力就像站在桥上的人。如果短桥上可以站五个人，那么这个重量或压力就刚刚好。但是，如果用相同绳索制造更长的桥，那么它就要经受更多的压力，因为将会有更多的人站在它上面。”

多孔设计

论文的首席作者Luda Wang说：“我们向大家展示了一种可以承受高压的石墨烯，但是还有其他方面需要进一步研究，比如它可以脱盐吗？”

换句话说，石墨烯能否耐受高压，同时选择性地从海水中过滤水？作为回答此问题的第一步，该团队制造了纳米级多孔石墨烯，用它来制作出一个非常简单的石墨烯过滤器。研究人员使用他们以前开发的一种技术，在石墨烯片上蚀刻出纳米级尺寸的微孔，然后他们将这些石墨烯片放置于高压中。

通常，他们发现石墨烯中的“皱纹”与微胶囊是否爆裂有关，与施加的压力无关。即使在压力低至30巴的情况下，多孔石墨烯的部分折痕也会失效或爆裂，而那些没有“皱纹”的石墨烯在高达100巴的压力下却保持不变。另外，即使在起皱区域，底层基底的孔越小，多孔石墨烯中的微薄膜也越有可能保存下来。

卡尼克说：“总的来说，这项研究告诉我们，单层石墨烯具有承受极高压力的潜力，100巴不是极限——只要石墨烯所在的孔径足够小，就有可能突破。总之，我们的研究为如何设计石墨烯膜以及在多大的压力范围内使用提供了参考。”

加州大学伯克利分校土木与环境工程学院的助理教授Baoxa Mi表示，石墨烯是世界上公认的最强的材料之一。而迄今为止，多孔石墨烯是否具有相似的强度仍未确定。

Mi没有参与研究，但他说：“这项研究绝对保证了石墨烯在过滤、化学、药物分离、水净化和海水淡化领域中的潜在应用。但是，要真正实现这些还需要克服更多的挑战，例如在石墨烯上如何形成小而均匀的微孔，并能够长大。如果能成功，那么这项技术将会改变海水淡化的方法。“