新研究表明石墨烯片对水分子的行为像一面镜子

最近发表的一项由弗吉尼亚联邦大学研究人员领导的研究揭示了水如何与纳米材料石墨烯相互作用，石墨烯是一种排列在六边形蜂窝晶格中的单层薄碳原子。研究人员的发现可能对各种应用产生影响，包括传感器、燃料电池膜、水过滤和高性能超级电容器中的石墨烯电极材料。

这项名为“石墨烯中的溶剂-溶剂相关性：图像电荷的影响”的研究发表在化学学会期刊ACS Nano 上，由 Neda Ojaghlou 博士领导，他是该研究的博士生。人文科学学院化学系。

该项目涉及医学、工业和科学的一个重要研究领域：了解液体(主要是水)如何与表面相互作用。这些相互作用可以通过多种方式测量，但特别是通过监测“润湿”，从表面上的液滴形状推断出来。如果液滴是平坦的，则表面被认为是“亲水的”，就像湿玻璃一样。如果液滴类似于球体，则它是“疏水的”，就像热锅上的液滴一样。

“研究润湿的一个极其重要的表面是石墨烯片。石墨烯是最突出的纳米材料之一，”Ojaghlou 说。“它的化学、电气和机械特性是从手机到网球拍生产，从电子设备到汽车制造的广泛应用的基础。石墨烯润湿在生物表面和设计超级电容器方面也很重要。”

在这项研究中，研究人员调查了如果薄片的另一侧有水，增强的石墨烯的润湿倾向。他们使用先进的计算机模拟在分子水平上研究这种效应。

“通过改进石墨烯模型，我们首次展示了石墨烯的导电性如何导致润湿透明度。导电性意味着碳原子电荷的位移以响应水电偶极矩的存在。这些碳原子上的电波动，这是非常难以模拟的，可以调节片材两侧水分子的相互作用，”Ojaghlou 说。“简而言之，我们已经考虑了石墨烯的导电性，这为另一侧有水时石墨烯的润湿提供了更好的解释。”

该论文的作者、化学系教授 Dusan Bratko 博士说，这些发现是一个重要的发现。

“当与水接触时，石墨烯会干扰水分子之间的氢键，用对碳原子较弱的分散吸引力取而代之。尽管如此，发现纯石墨烯亲水性较弱。这部分是由石墨烯的导电性解释的，这增加了水偶极子和碳原子上诱导的瞬态电荷之间有趣的吸引机制，”布拉特科说。

“该团队的计算方法揭示的一个以前未知的特征是当水存在于石墨烯片的两侧时感应效应的协同作用，”他说。“在这张新图片中，石墨烯在相对水化层之间的交流中发挥着积极作用。因此，石墨烯从两侧比单独从一侧更容易润湿。这很重要，因为前一种情况发生在许多实际应用中. 这两种不同的行为已在水中的实验中得到证实，并且可以预期在其他偶极和离子液体或溶液中使用。”

Mahdi Shafiei 博士也是 VCU 的前博士生和该论文的作者，他说该团队的发现可以解释为展示了石墨烯片如何“表现得像水分子的镜子”。

“在我们的工作中，我们首次解释了导电石墨烯的图像电荷，”Shafiei 说。“我们的工作至少有两个重大影响：它揭示了水支持的石墨烯上水滴的行为，我们扩展了关于传导石墨烯和图像电荷的理论知识。”

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