水分子在膜和毛细通道中的可控运输是一种普遍存在的自然现象，对生物体极其重要，因此，发展通过外界刺激可精确控制分子渗透的智能膜引起了广泛的关注。其中，电场控制可实现信号的快速响应同时也适合复杂的集合系统。目前，膜的调控主要限于对膜润湿程度的调节和可控的离子传输，水的可控渗透未见报道。虽然有诸多理论工作进行了电控水渗透的研究，实验方面还未有突破。曼彻斯特大学国家石墨烯研究所（NGI）的周凯歌、K. S. Vasu、R. R. Nair课题组实现了电控氧化石墨烯膜的水渗透，为开发智能膜技术开辟了一条途径，有望革新人工生物系统、组织工程和过滤技术领域。
如图1-43（a）所示，此智能GO膜器件实际上是通过在GO膜两侧加上金属电极构造的，即在沉积于多孔银的GO膜表面蒸镀一层10nm厚的多孔金，组装成Au/GO/Ag三明治结构。将此器件粘在一个具有圆形孔穴的塑料板上，然后密封住装满水的不锈钢容器，使该器件朝向水蒸气，然后通过测量水的失重计算水的渗透速率。同时，通过Keithley在器件两侧施加直流电压实现电控。然后，利用通常在大电场、有水出现时，绝缘体表面会形成永久的导电路径的现象，通过可控电场击穿在氧化石墨烯膜内部形成导电丝。
图1-43 电控GO膜的水渗透现象
图1-43（b）是形成导电丝过程中的I-V曲线。从图中可以看出，在临界电压VC之前，电流变化不明显，一旦达到VC，部分电场被击穿，电流突然上升。图1-43（d）是通过峰力隧道原子力显微镜（Peak Force Tunneling AFM，PF TUNA）表征的电流图像，这证实了存在直径小于50nm的导电丝。导电丝的密度大约是107/cm2。图1-43（e）是导电丝形成过程水的失重和相应的水渗透速率随时间/电压的变化。从图中可以看出，在临界电压VC之前，水的渗透速率没有明显变化，一旦达到VC，部分电场被击穿，水流速度陡然下降。然后，通过低横向（out-of-plane）电阻GO膜的水的渗透速率与施加外场电压成反比。当电压为零时，水的渗透速率又可恢复到初始值的约85％。形成导电丝后，GO膜的横向电阻和电控水渗透现象非常稳定。如图1-43（f）所示，电控水渗透与电压方向无关，在多个循环下依旧可逆。(www.xing528.com)
为了了解电压/电流对水渗透影响的机理，研究人员通过对比不同面积和不同厚度GO膜的性能证实电流密度是控制水渗透的关键因素，水渗透速度主要是通过导电丝的电流而不是施加电压来调控的。那么为什么电流能控制GO膜内的水渗透呢？电流可以通过焦耳热或者电化学作用影响水的传输。研究结果发现，膜的温度随电流没有明显变化。而不同电流下GO膜的红外光谱结果表明[图1-44（a）]，当电流存在时，所有和水分子有关的化学键的峰强降低；当电流归零时，相应的化学键的峰强也恢复至初始值。那么这些峰强的降低是否对应着水含量的减少呢？研究人员通过不同电流下GO膜的X射线衍射结果表明[图1-44（b）～（d）]，GO膜的层间距随着电流的增加而减小，当电流从0mA增加到25mA时，对应的层间距从0.92nm降低到0.85nm。综合以上结果，认为GO膜的电控水渗透现象是因为电流对水分子的电离作用。在该GO膜内，电场强度可高达约107V/m。这么高的电场可使水分子电离成水合氢离子和氢氧根离子，而这些带电离子的漂移会显著抑制水流速度。分子动力学模拟结果也进一步支持了离子浓度对水渗透速度的影响的结论。
图1-44 电控GO膜的水渗透机理分析：原位傅里叶变换红外光谱仪（Fourier Transform Infrared Spectrometer,FTIR）和XRD
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