東京科學(xué)大學(xué)的最新研究揭示了石墨烯表面的水分子會(huì)有哪些行為。由山本孝宏教授領(lǐng)導(dǎo)的這項(xiàng)研究將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析工具與分子動(dòng)力學(xué)模擬相結(jié)合，以探索與碳基材料接觸時(shí)水的結(jié)構(gòu)變化，這表明水和石墨烯之間的相互作用，進(jìn)一步研究3D打印材料的可能性。山本孝宏教授對(duì)3D打印行業(yè)說(shuō)：“在3D打印機(jī)中，了解和控制材料表面的潤(rùn)濕對(duì)于堆疊層的過(guò)程至關(guān)重要。潤(rùn)濕是由吸附在表面的水的微觀結(jié)構(gòu)決定的。但是，尚未確定該方法。本研究提出了一種基于數(shù)據(jù)科學(xué)方法的潛在方法。預(yù)計(jì)該開(kāi)發(fā)的方法不僅將應(yīng)用于石墨表面，而且還將應(yīng)用于各種材料表面?！?/span>

這一研究的結(jié)果發(fā)表在《日本應(yīng)用物理學(xué)雜志》上，預(yù)計(jì)將對(duì)海洋和飛機(jī)工程產(chǎn)生重大影響，并對(duì)植入手術(shù)有益。水動(dòng)力學(xué)的重要性時(shí)水是一種非常普遍的物質(zhì)，幾乎可以在地球上的每個(gè)環(huán)境中自然發(fā)現(xiàn)。前幾層水的特性（稱為地表水）在材料科學(xué)中尤為重要，因?yàn)樗鼈儧Q定了水相對(duì)于接觸材料表面的流動(dòng)方式。了解這種水的行為方式以及為什么會(huì)如此行為將使材料科學(xué)家能夠開(kāi)發(fā)出疏水性或親水性材料，甚至可能改變現(xiàn)有材料的特性。

減少船舶表面的水摩擦?xí)岣呷加托?，或者在低于零的環(huán)境中飛行時(shí)，開(kāi)發(fā)用于飛機(jī)的耐冰材料可能會(huì)引入新的安全措施。水分子和石墨烯本研究的重點(diǎn)是水和石墨烯之間的相互作用，石墨烯是一種原子平坦的材料。當(dāng)研究水的相互作用特性的基礎(chǔ)時(shí)，這使石墨烯成為理想的接觸材料。山本孝宏教授解釋說(shuō)：“石墨烯等碳納米材料上的表面水備受關(guān)注，因?yàn)檫@些材料的性質(zhì)使其非常適合研究地表水的微觀結(jié)構(gòu)?！?/span>

石墨烯的結(jié)構(gòu)

先前的研究已經(jīng)確定，與石墨烯接觸的水會(huì)在表面水和自由水中形成穩(wěn)定的2D形狀，這些水會(huì)遠(yuǎn)離接觸材料的表面。但是，以前尚未確定地表水和游離水之間的差異。這兩組之間的過(guò)渡區(qū)特別難以描述，這是日本研究旨在實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。由于研究的復(fù)雜性，必須將多種表征方法相互結(jié)合使用。持久同源性（PH）是一種來(lái)自數(shù)據(jù)科學(xué)的方法，與分子動(dòng)力學(xué)模擬相結(jié)合。 PH可以用于材料科學(xué)中，以在混沌流體中找到穩(wěn)定的3D結(jié)構(gòu)。山本教授說(shuō)：“我們的研究代表首次將PH用于水分子的結(jié)構(gòu)分析。”當(dāng)將單層水分子置于石墨烯表面時(shí)，水分子排列成通過(guò)氫鍵連接的二維結(jié)構(gòu)，平行于石墨烯表面。第二層使該結(jié)構(gòu)成為3D單向的，形成四面體網(wǎng)絡(luò)，“向下”指向石墨烯的表面。第三層保持四面體3D結(jié)構(gòu)，但使其全向，其中四面體指向所有方向。第三層之后的任何后續(xù)層的定位方式都與第三層相同，這表明這是地表水結(jié)束而自由水開(kāi)始的地方。

石墨烯與水

山本教授指出：“這些結(jié)果證實(shí)了地表水和自由水之間的交換僅發(fā)生在三層水內(nèi)。”這項(xiàng)研究的標(biāo)題為“使用數(shù)據(jù)科學(xué)在石墨烯上發(fā)現(xiàn)地表水中的新微觀結(jié)構(gòu)”，并于2020年1月14日發(fā)表在《日本應(yīng)用物理學(xué)雜志》上。該研究由加藤浩一郎，前川幸樹(shù)，渡邊直樹(shù)，岡賢二和山本孝宏。 3D打印意味著什么？盡管石墨烯是一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的表面，而其他更逼真的表面必然具有更復(fù)雜的水相互作用，但這項(xiàng)研究驗(yàn)證了用于表征的新方法的有效性。

由于該技術(shù)還處于起步階段，尚未對(duì)此深度進(jìn)行3D打印表面特性研究，山本教授希望這種方法能夠在未來(lái)幾年內(nèi)幫助表征與水接觸的3D打印表面。也許該方法可以應(yīng)用于加利福尼亞開(kāi)發(fā)的3D打印石墨烯結(jié)構(gòu)，以確定使用完全不同的技術(shù)生產(chǎn)的石墨烯的差異。在瑞典的其他地方，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了3D可打印的石墨烯長(zhǎng)絲，這暗示了碳基超材料在增材制造中的光明前景。