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地球蘊藏著大約 14億立方千米的水。不幸的是，絕大多數水來自海洋，除非經過昂貴且高耗能的海水淡化廠處理，否則無法飲用。這些問題主要源於將鹽離子從水分子中分離出來的效率低下，而來自麻省理工學院的一個材料科學家團隊表示，解決方案在於從根本上改進這一過程。
目前主要的淡化方法——反滲透（RO）——依賴於聚合物基膜來去除鹽分，並且需要很大的壓力才能將水推過半透膜。施加的壓力越大，成本越高。麻省理工學院的研究人員，由傑弗裡·格羅斯曼和大衛·科恩-塔努吉領導，提出用石墨烯製成的薄膜可以過濾掉鹽分，而不會像現在這樣抑制水流。石墨烯是一種超強度的碳片，只有一個原子厚，主要被視為用於改進電子產品和光通訊的材料。
反滲透比其他淡化方法（如熱蒸餾）需要的能量更少，但研究人員上個月在奈米快報上線上報告稱，含有比目前使用的聚合物更具滲透性的奈米級孔隙的石墨烯膜將進一步降低能源需求。
這個想法是根據尺寸來區分水分子和鹽離子。“反滲透使用尺寸排阻，但它排阻所有東西，”動力工程副教授格羅斯曼說。
格羅斯曼說，石墨烯膜將提供明確定義的通道，允許水分子在較低壓力下透過，同時阻擋鹽離子。
麻省理工學院的研究人員使用軟體模擬，實驗了不同的孔徑來淡化鹽濃度為每升72克的海水，大約是通常在海洋中發現的鹽度的兩倍。他們發現，至少在理論上，直徑為0.7至0.9奈米的孔隙在讓水分子透過的同時阻擋鈉離子最有效。“那是最佳點，”格羅斯曼說。“如果更大，鹽會流過。如果更小，什麼都無法透過。”
格羅斯曼和他的團隊正在努力確定是否可以使用化學反應來調整海水淡化效能。研究人員對他們的數字石墨烯孔隙進行了程式設計，使其塗有疏水性（憎水）或親水性（喜水）原子。前者減緩了水流，但減少了透過的鹽離子，而後者允許更快的流動，但阻擋的鹽離子較少。塗層的型別最終可能取決於給定設施的條件。儘管如此，科學家們報告說，模擬表明石墨烯奈米孔可以以比反滲透膜高兩到三個數量級的水滲透率排斥鹽離子。
當然，在現實中處理石墨烯比在計算機上從數字水分子中過濾畫素化的鹽更具挑戰性。格羅斯曼承認，首先，雖然可以使用化學蝕刻和離子束在石墨烯中製造孔洞，但在均勻的配置中生產特定尺寸的孔洞很困難。石墨烯也沒有消除可以將多少剩餘鹽水安全地返回海洋而不損害水下棲息地的問題。毒性也可能是一個重要的問題，他說，“儘管就[石墨烯]對飲用水[安全性]的潛在影響而言，目前還沒有真正的答案。”
格羅斯曼不知道何時才能將石墨烯基海水淡化技術用於商業用途。不過，他和他的團隊繼續執行模擬，並已開始在實驗室中測試實際的膜，以研究流速和鹽度。
預計未來幾年全球對飲用水的需求將不斷增長。格羅斯曼說，滿足這一需求的關鍵不一定在於調整現有技術。“我們環顧四周，看看科學界有哪些人在從事海水淡化工作，他們大多是從事系統層面的機械工程師，”他說。“在使用基礎科學並從底層做起進行系統設計方面做得很少。”