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一项新研究发现石墨烯片对水分子的行为像镜子一样

信息来源:星火计划 发布时间:【2020-08-17 】 点击次数:
弗吉尼亚联邦大学研究人员领导的一项最新发表的研究为水如何与纳米材料石墨烯(六角形蜂窝晶格中排列的单薄碳原子层)相互作用提供了新的思路。
在石墨烯的两侧均显示石墨烯水分子的图像。由于石墨烯是电导体,因此石墨烯两侧的水分子通过相同的电荷相互吸引。图片来源:弗吉尼亚联邦大学
研究人员的发现可能对多种应用具有影响,包括传感器,燃料电池膜,水过滤以及高性能超级电容器中基于石墨烯的电极材料。
 
这项研究“横跨石墨烯的溶剂-溶剂相关性:图像电荷的影响”发表在美国化学学会期刊ACS Nano上,由Neda Ojaghlou博士领导,他是该研究的博士生。人文与科学学院化学系。
 
该项目解决了医学,工业和科学领域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。这些交互作用可以通过几种方式进行测量,但特别是通过监视“润湿”来进行,该“润湿”是根据表面上的液滴形状推断出的。如果液滴是平坦的,则该表面被认为是“亲水的”,就像湿玻璃一样。如果液滴类似于球形,则它是“疏水的”,就像在热锅上的液滴一样。
 
Ojaghlou说:“ 研究润湿性的极其重要的表面是石墨烯片。石墨烯是最杰出的纳米材料之一。” 从手机到网球拍生产,从电子设备到汽车制造,其化学,电气和机械性能具有广泛的应用范围。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,研究人员研究了增强石墨烯在片材另一面有水的情况下的润湿倾向。他们使用先进的计算机模拟技术在分子水平上研究了这种效应。
 
“通过改进石墨烯模型,我们首次展示了石墨烯的电导率如何导致润湿透明性。电导率是指碳原子的电荷位移,以响应水电偶极矩的存在。这些碳原子上的电波动,很难模拟,它们调节了纸页两面上的水分子的相互作用,” Ojaghlou说。“简而言之,我们已经考虑了石墨烯的电导率,这为当另一侧有水时石墨烯的润湿提供了更好的解释。”
 
化学系教授,论文作者Dusan Bratko博士说,这一发现是一项重要发现。
 
“当与水接触时,石墨烯会干扰水分子之间的氢键,从而用对碳原子的较弱分散吸引力代替它们。尽管如此,发现纯石墨烯的亲水性较弱。这在一定程度上可以解释为石墨烯的电导率,从而增加了水偶极子与碳原子上感应的瞬态电荷之间有趣的吸引人的机制,”布拉特科说。
 
他说:“该团队的计算方法揭示了一个以前未知的特征,即当石墨烯片的两面都存在水时,感应效应的协同作用。” “在这张新图中,石墨烯在相对的水合层之间的连通中起着积极作用。因此,石墨烯从两侧比单独从一侧润湿要容易得多。这很重要,因为前一种情况在许多实际应用中都会发生在水中的实验表明了两种不同的行为,并且可以用其他偶极和离子液体或溶液来预期。”
 
Mahdi Shafiei博士也是VCU的前博士研究生,也是该论文的作者。他说,该团队的发现可以解释为表明石墨烯片“像水分子的镜子一样”。
 
沙菲伊说:“在我们的工作中,我们首次解释了在进行石墨烯时的图像电荷。” “我们的工作至少有两个重大影响:它阐明了水滴在水支撑的石墨烯上的行为,我们扩展了在石墨烯上进行导电和图像电荷的理论知识。”
 

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