大家好！今天一起探究通过堆叠的Janus石墨烯层制造防潮膜的原理。石墨烯薄膜有着超厉害的不渗透性，理论上能阻挡所有气体和液体，在很多领域都有大用处，比如食品、医药、电子等行业都需要它来防潮和阻挡活性气体。但传统的石墨烯薄膜有不少问题，今天咱们就看看科学家们怎么解决这些问题，造出的防潮膜。

*本文只做阅读笔记分享*

一、传统石墨烯薄膜的困境

传统的石墨烯屏障薄膜一般是由纳米尺寸的石墨烯薄片堆叠而成，比较厚，这就影响了它的光学透明度和柔韧性。而且，CVD法制备的大面积石墨烯薄膜有缺陷，像点缺陷、褶皱和晶界，这些缺陷会让水分和气体容易扩散进来。

目前，堆叠的石墨烯薄膜的防潮性能（WVTR值）只能达到10−3g/(m2⋅day)这个水平，对于它的扩散机制和影响因素，大家还不太清楚。之前人们尝试在石墨烯表面沉积无机材料，或者用自组装分子来解决问题，但都不太理想。

二、Janus石墨烯防潮膜的诞生

为了解决这些问题，科学家们想到了一个好办法，就是制造Janus石墨烯。

他们对石墨烯进行双面表面改性，在一面装饰含氟和氧的基团，这样能让石墨烯和支撑聚合物紧密贴合，还能保持疏水表面，防止水吸附；另一面用氧等离子体处理，让表面变得亲水，减少水在表面的扩散。

然后，在两层Janus石墨烯之间插入超薄的TBO分子，进一步阻止水的扩散。通过这样的方法，制造出的双层石墨烯防潮膜的水汽透过率（WVTR）低至5×10−5g/(m2⋅day)，比之前的研究低了两个数量级，和商用无机防潮膜差不多，但厚度比它们薄至少一个数量级。

三、防潮膜的制备过程

这个防潮膜是怎么制作的呢？

先在铜箔上用CVD法生长石墨烯，然后用反应离子蚀刻（RIE）在石墨烯表面引入含氟和氧的基团，接着旋涂一层PVDF，帮助蚀刻铜箔，这样就能露出另一面未处理的石墨烯。再用低功率的氧等离子体处理这一面，让它变成亲水表面。

之后旋涂TBO层，最后把另一个Janus石墨烯薄膜层压在TBO层上，就得到了最终的防潮膜。在这个过程中，RIE处理能让石墨烯从铜箔上无裂纹转移，氧等离子体处理能改变石墨烯表面的润湿性，还能让TBO分子均匀分布在石墨烯表面。

四、性能测试与优势

科学家们对制备的双层石墨烯薄膜进行了各种测试。

通过电钙测试来测量它的防潮性能（WVTR值），发现它的WVTR值低至5×10−5g/(m2⋅day)，比多层石墨烯薄膜的WVTR值低很多，和之前报道的石墨烯基防潮膜相比，性能有了很大提升，甚至比一些需要复杂制备过程的无机氧化物的防潮性能还要好。

而且，他们还研究了不同环境条件对防潮膜性能的影响，发现热循环、相对湿度和紫外线暴露等会有影响，弯曲时如果dL值大于18mm（初始长度L=35mm），石墨烯会出现裂纹或褶皱，导致WVTR值升高。

五、作用机制揭秘

为什么这个防潮膜性能这么好呢？这就要从它的表面改性和插入分子的作用说起。

RIE处理会在石墨烯晶格中引入新的基团，产生缺陷相关的D峰，适量的RIE处理能提高石墨烯和聚合物的润湿性，防止裂纹产生，但过度处理会损坏石墨烯晶格。氧等离子体处理虽然会在石墨烯晶格中引入羟基，产生一些缺陷，但能让石墨烯表面变成亲水的，增强水与表面的相互作用，还能让TBO分子均匀分布。

TBO分子和水的相互作用很强，能进一步降低水的扩散。通过密度泛函理论（DFT）计算和分子动力学（MD）模拟，发现羟基化的亲水表面能增强水与表面的相互作用，降低水的滑动长度，从而提高防潮性能。

六、总结与展望

总的来说，制造高性能石墨烯防潮膜的关键在于表面改性和分子插入。

要让接触支撑聚合物的石墨烯表面能让聚合物溶液良好润湿，避免裂纹；整个薄膜的外表面要疏水，防止水吸附；石墨烯薄膜的内表面要亲水，增强水与表面的相互作用；插入的芳香分子要能均匀分布在石墨烯表面，和扩散的水有更强的相互作用；插入分子的厚度要尽可能薄。基于这些原理，科学家们制造出了A3尺寸的石墨烯防潮膜。

未来，如果要实现商业化应用，还需要开发基于卷对卷转移路线的批量转移系统，配备等离子体处理系统和薄膜张力的传感器及控制系统，引入TBO和PVDF的喷涂以及基于气泡的分层技术。

七、一起来做做题吧

1、关于传统石墨烯薄膜的描述，正确的是？

A.由单层石墨烯构成

B.光学透明度和柔韧性极佳

C.存在缺陷影响防潮性能

D.水汽透过率（WVTR）能达到5×10−5g/(m2⋅day)

2、Janus石墨烯的制备过程中，RIE处理的作用不包括以下哪一项？

A.引入含氟和氧的基团

B.使石墨烯从铜箔上无裂纹转移

C.让石墨烯表面变成亲水的

D.提高石墨烯与聚合物的润湿性

3、在双层石墨烯防潮膜中，TBO分子的主要作用是？

A.增强石墨烯的导电性

B.进一步阻止水的扩散

C.提高薄膜的柔韧性

D.使石墨烯表面疏水

4、以下哪种情况会导致双层石墨烯防潮膜的WVTR值升高？

A.适当的RIE处理

B.氧等离子体处理时间过长

C.插入单层TBO分子

D.石墨烯与聚合物完全贴合

5、制造高性能石墨烯防潮膜的关键因素不包括以下哪一点？

A.表面改性

B.分子插入

C.增加石墨烯层数

D.控制插入分子厚度

参考文献：

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