新研究|石墨烯表面水的行为 有助3D打印

东京科学大学的最新研究揭示了石墨烯表面的水分子会有哪些行为。由山本孝宏教授领导的这项研究将统计数据分析工具与分子动力学模拟相结合，以探索与碳基材料接触时水的结构变化，这表明水和石墨烯之间的相互作用，进一步研究3D打印材料的可能性。山本孝宏教授对3D打印行业说：“在3D打印机中，了解和控制材料表面的润湿对于堆叠层的过程至关重要。润湿是由吸附在表面的水的微观结构决定的。但是，尚未确定该方法。本研究提出了一种基于数据科学方法的潜在方法。预计该开发的方法不仅将应用于石墨表面，而且还将应用于各种材料表面。”

这一研究的结果发表在《日本应用物理学杂志》上，预计将对海洋和飞机工程产生重大影响，并对植入手术有益。水动力学的重要性时水是一种非常普遍的物质，几乎可以在地球上的每个环境中自然发现。前几层水的特性（称为地表水）在材料科学中尤为重要，因为它们决定了水相对于接触材料表面的流动方式。了解这种水的行为方式以及为什么会如此行为将使材料科学家能够开发出疏水性或亲水性材料，甚至可能改变现有材料的特性。

减少船舶表面的水摩擦会提高燃油效率，或者在低于零的环境中飞行时，开发用于飞机的耐冰材料可能会引入新的安全措施。水分子和石墨烯本研究的重点是水和石墨烯之间的相互作用，石墨烯是一种原子平坦的材料。当研究水的相互作用特性的基础时，这使石墨烯成为理想的接触材料。山本孝宏教授解释说：“石墨烯等碳纳米材料上的表面水备受关注，因为这些材料的性质使其非常适合研究地表水的微观结构。”

石墨烯的结构

先前的研究已经确定，与石墨烯接触的水会在表面水和自由水中形成稳定的2D形状，这些水会远离接触材料的表面。但是，以前尚未确定地表水和游离水之间的差异。这两组之间的过渡区特别难以描述，这是日本研究旨在实现的目标。由于研究的复杂性，必须将多种表征方法相互结合使用。持久同源性（PH）是一种来自数据科学的方法，与分子动力学模拟相结合。PH可以用于材料科学中，以在混沌流体中找到稳定的3D结构。山本教授说：“我们的研究代表首次将PH用于水分子的结构分析。”当将单层水分子置于石墨烯表面时，水分子排列成通过氢键连接的二维结构，平行于石墨烯表面。第二层使该结构成为3D单向的，形成四面体网络，“向下”指向石墨烯的表面。第三层保持四面体3D结构，但使其全向，其中四面体指向所有方向。第三层之后的任何后续层的定位方式都与第三层相同，这表明这是地表水结束而自由水开始的地方。

石墨烯与水

山本教授指出：“这些结果证实了地表水和自由水之间的交换仅发生在三层水内。”这项研究的标题为“使用数据科学在石墨烯上发现地表水中的新微观结构”，并于2020年1月14日发表在《日本应用物理学杂志》上。该研究由加藤浩一郎，前川幸树，渡边直树，冈贤二和山本孝宏。3D打印意味着什么？尽管石墨烯是一个相对简单的表面，而其他更逼真的表面必然具有更复杂的水相互作用，但这项研究验证了用于表征的新方法的有效性。

由于该技术还处于起步阶段，尚未对此深度进行3D打印表面特性研究，山本教授希望这种方法能够在未来几年内帮助表征与水接触的3D打印表面。也许该方法可以应用于加利福尼亚开发的3D打印石墨烯结构，以确定使用完全不同的技术生产的石墨烯的差异。在瑞典的其他地方，已经开发了3D可打印的石墨烯长丝，这暗示了碳基超材料在增材制造中的光明前景。