石墨烯等2D材料的规模化生产和分散对其商业应用至关重要。虽然通常使用液体剥离，但N-甲基吡咯烷酮(NMP)等溶剂有毒，难以放大。然而，化学空间的巨大规模阻碍了替代溶剂的研究。在这里，我们提出了一个计算管道通知有效剥脱剂的识别。经典的分子动力学模拟提供了相互作用的统计采样，能够识别成功溶剂的关键分子描述符。通过量子力学计算研究这些模拟的统计代表性配置，使我们能够深入了解表面-溶剂界面的化学物理相互作用。作为一个例子，通过这个管道，我们发现了一种潜在的石墨烯剥离剂2-吡咯烷酮，并通过实验证明它与NMP一样有效。我们的工作流程可以推广到任何2D材料和溶剂系统，能够筛选各种化合物和溶剂，以确定更安全、更便宜的生产分散体的方法。
图1.管道建模。石墨表面被感兴趣的溶剂包围，并用 MD 模拟(左上角，石墨层显示为黑色)。每个溶剂分子的取向由一个向量(橙色箭头)和一个平面(黄色菱形)描述;然后提取出每种溶剂的方向与表面距离的函数关系(如右上角的2D 概率密度所示)。从物种的方向分布在第一个解壳只(显示为一个二维概率密度，右下) ，代表性的安排被确定(见两个插图的例子)。提取代表性溶剂的坐标，下面的表面和溶剂的外壳，并进行平面波 DFT 计算(左下)。
图2.石墨烯片上溶剂取向的指纹图谱。该图是表面涂层溶剂分子取向的统计分布，显示了最可能的取向在较浅的颜色，如矢量(x 轴)和平面(y 轴)的仰角所描述的， (a) NMP 具有很强的对称对齐偏好。(b)二甲基亚砜具有强烈的线性特征，描述了一系列优选的比对。(c)乙醇不具有任何明显的表面有序性。
图3.石墨烯片表面上的NMP溶剂，(a)显示俯视图，和(b)侧视图。渲染突出了单个NMP分子，代表最常见的取向，与石墨烯(透明球体)相互作用，并被其他NMP溶剂分子(透明)包围。颜色如下:灰色代表碳，红色代表氧，蓝色代表氮，白色代表氢原子。
图4.溶剂分散效果的实验评价。对于每种实验测试的溶剂: 环戊酮(CPN)、丙酮(DMF)、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮(dMI)、 N- 甲基吡咯烷酮(NMP)、2-吡咯烷酮(PRL)。(a)描述石墨烯表面溶剂取向的指纹(详见图2和支持信息)。(b)统计拉曼分析表示为三维热图，其中黄色表示较高的样本群体，灰色表示由石墨样本占据的区域。(c)剪切混合和离心后的溶剂瓶照片; 图像下给出了溶剂中石墨烯片的浓度。测试。
图5.PRL 法制备石墨烯薄片的显微分析.(a)沉积在硅片上的剥离石墨烯片的 AFM 显微照片，插入: 沿着与图像刻度相同的 x 刻度的白线的高度剖面。(b)片状横向尺寸分布，长宽平均，NMP和 PRL TEM 平均为25。(c)较厚的少层石墨烯薄片的折叠边缘的 TEM 显微照片，其中14个碳层可见，并以白线突出显示。(d)单个石墨烯薄片的 TEM 显微照片。
相关科研成果由爱丁堡大学Valentina Erastova和杜伦大学Karl S. Coleman等人于2022年发表在ACS Nano（https://doi.org/10.1021/acsnano.2c04406）上。原文：Identification of Graphene Dispersion Agents through Molecular Fingerprints。
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