米乐m6官方网站【理事长中钵良二】（以下简称“AIST”）环境管理研究部【研究主任田中干也】水环境技术研究组高级首席研究员王正明等，加拿大多伦多大学G A Ozin教授等石墨烯（一片碳原子厚）两面都有几十纳米的薄膜介孔二氧化硅之间的三明治型复合材料中垂直于石墨烯表面定向的孔的直径和深度。
石墨烯和介孔二氧化硅的三明治型复合材料将石墨烯的导电、导热、光生热等特性与介孔二氧化硅的孔隙率相结合，可以具有新的功能。这种复合物是石墨烯的前体氧化石墨烯，石墨烯表面两侧都有孔的二氧化硅在有机硅源和表面活性剂的溶液中生长，使得可以控制孔径和深度，这在以前是不可能的。孔径和深度是影响进入介孔二氧化硅膜孔内的分子的吸附能力、吸附分子和反应分子的扩散距离以及具有选择性的分子的尺寸阈值等功能的重要因素。人们认为，能够控制这些将扩大应用范围，分子筛类型污染物传感，药物输送系统也被预期。
该结果详情可参见2017年10月12日（德国当地时间）Wiley-VCH出版的国际科学期刊先进功能材料（DOI：101002/adfm201704066）。
石墨烯因其优异的导电性、导热性、机械强度、光生热和化学稳定性而受到关注。介孔二氧化硅是一种孔径为2～50 nm的孔（二氧化硅介孔道）呈蜂窝状规则排列的多孔二氧化硅，作为吸附剂、催化剂载体、纳米空间反应位点等具有广阔的应用前景。石墨烯和介孔二氧化硅的结合有望创造出一种结合了两者特性的材料。然而，在传感材料等应用中，要求孔的取向垂直于基材，但利用使用表面活性剂作为形成孔的模板的分子(模板分子)的传统合成技术，常常获得二氧化硅孔平行于基材取向的材料，并且为了使孔垂直取向，需要昂贵的模板分子或施加外场(电场、磁场)。
产业技术研究院环境管理研究部利用石墨烯的前体氧化石墨烯，开发了石墨烯与具有调湿效果的二氧化硅、高性能催化剂/光催化剂二氧化钛的复合材料，以及分散有钯纳米粒子的石墨烯复合材料。另一方面，多伦多大学的G A Ozin教授及其同事拥有介孔二氧化硅薄膜界面生长的出色技术。他们共同证明，可以使用相对简单的方法合成一种复合材料，其中石墨烯夹在介孔二氧化硅层之间，孔垂直于石墨烯表面。ACS 纳米 20104(12))，这次我们进一步阐明了这种夹层结构的形成机制，并致力于开发一种可以控制孔隙深度和直径的复合材料。
这项研究和开发得到了日本科学技术振兴会科学研究补助金 (C) 24550170 的支持。
图1显示了石墨烯-介孔二氧化硅夹层复合材料的合成方法以及二氧化硅中孔（二氧化硅介孔）的估计生长过程。原料为氧化石墨烯水溶液、表面活性剂和有机硅源。另外，氧化石墨烯在水溶液中容易解离，即使单层也稳定，因此在水溶液中以各层独立分散的状态存在。表面活性剂，它是孔的模板分子。胶束吸附在氧化石墨烯的表面。在这些胶束周围，有机硅源水解形成二氧化硅前体，填充胶束之间的空间。在这些顶部，二氧化硅介孔垂直于石墨烯表面生长，产生介孔二氧化硅薄膜。为了生长垂直排列的二氧化硅介孔道，适当控制作为模板分子的表面活性剂和氧化石墨烯之间的相互作用非常重要。然后通过煅烧去除表面活性剂，产生石墨烯-介孔二氧化硅夹层复合材料（图2）。请注意，在烧制过程中，氧气从氧化石墨烯中除去，并转变为石墨烯。
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| 图1 具有垂直排列二氧化硅介孔的石墨烯-介孔二氧化硅复合材料的形成机制 |
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| 图2 具有垂直排列二氧化硅介孔的夹层型复合材料的横截面透射电子显微照片 |
为了弄清楚吸附在氧化石墨烯表面的胶束的结构，我们将使用来自高能加速器研究组织光子工厂BL-6A站的高亮度X射线作为辐射源，该站可以在短时间内进行高灵敏度的结构分析小角度X射线散射技术测量胶束。在与合成过程完全相同的条件下制备表面活性剂和氧化石墨烯的混合溶液原位测量在石墨烯表面上具有一定的顺序吸附胶束正在排队。当我们通过使用不同分子链长度的表面活性剂改变氧化石墨烯上吸附胶束的尺寸来合成石墨烯-介孔二氧化硅夹心型复合材料时，如图3所示，复合材料的孔径随着表面活性剂链长度的增加而增加。换句话说，在新开发的复合物中，通过改变表面活性剂的链长，可以将二氧化硅介孔直径从1 nm调整到55 nm。
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| 图3 不同链长表面活性剂获得的复合材料的孔径分布 |
当通过改变反应时间从3小时到1周来生长石墨烯-介孔二氧化硅复合材料时，介孔二氧化硅的膜厚度随着反应时间的增加而逐渐增加。如图4所示，介孔二氧化硅膜厚度（二氧化硅介孔通道深度）从125 nm变化到384 nm。也就是说，通过改变反应时间，可以控制二氧化硅介孔道的深度。
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| 图4反应时间与介孔二氧化硅膜厚度（二氧化硅介孔道长度）之间的关系 |
如上所述，新开发的合成方法可以控制二氧化硅介孔的深度和孔径。这些是影响进入介孔二氧化硅膜孔隙的分子的吸附能力、吸附分子和反应分子的扩散距离以及选择性分子的尺寸阈值等性质的重要因素，因此认为应用范围将会扩大。
我们的目标是进一步开发这种合成技术，并将其应用于污染物和药物输送系统的高性能传感。