浙江大学许震副教授 揭示二维分子“随机落叶”聚沉行为

研究背景

“一片两片三四片，五六七八九十片。千片万片无数片，飞入梅花都不见。”以分子级二维片为基本单元组装形成宏观材料是近年来材料制备的一种新思路。借此，我们可以将成百上千种二维分子组装成形态各异、功能丰富、性能突出的新材料。以石墨烯为例，我们可以制备超轻的石墨烯气凝胶、结构功能突出的石墨烯纤维等材料。组装过程本质上是一种受控的聚集过程。只有深入了解分子二维片的基本聚集规律，材料实现精确的组装过程和材料的精确设计与制备。然而，目前尚无描述二维分子聚集过程的理论模型。

近日，浙江大学高分子系许震副教授以单层氧化石墨烯为实验对象，探究了二维大分子在相分离过程中聚集的热力学机理和动力学特征，提出“随机落叶 Random Falling Leaves”模型描述了二维分子聚集动力学规律。基于传统的Flory溶液理论，揭示了不良溶剂比例控制的氧化石墨烯临界聚沉现象，构建了“随机落叶 Random Falling Leaves” 动力学数学模型，理论推断并实验验证了二维大分子聚集体尺寸与不良溶剂含量呈现指数关系。有趣的是，二维分子微观的聚集动力学过程与日常“无边落木萧萧下”的诗意场景不谋而合，同时符合一种数学规律。该研究成果已以“Falling-Leaves Stacking Aggregation of Two-Dimensional Macromolecular Graphene Oxide in Solution”为题发表在《Langmuir》（DOI: 10.1021/acs.langmuir.3c01470）上，该论文第一作者为浙江大学高分子系高科所博士生高越。

本文要点

1. 结合Flory溶液理论，阐释了不良溶剂引入引起的氧化石墨烯临界聚沉的热力学机理，并建立了“Random Falling Leaves”数学模型来描述在氧化石墨烯在相分离过程的随机聚沉行为。

2. 设计实验验证了前述的理论描述和数学模型，证实了在聚沉过程中，氧化石墨烯聚集体的尺寸与不良溶剂含量具有指数关系。

图文导读

图1 不良溶剂引起的氧化石墨烯溶液的相分离

图2 从“一片”堆成“一堆”，“落叶”模型的建立

A）栩栩如生的落叶水彩画，某佳人所绘

B-D）模型示意图 E）模型预测的厚度和重叠面积的关系

图3 氧化石墨烯溶液的相分离中的临界现象

A-F）液晶消失 G）粘度突增

图4 不良溶剂引起的相分离的能量机理

图5 对“落叶”模型的实验验证

致谢

论文得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研专项基金、浙江大学百人计划、山西浙大新材料与化工研究院等相关经费和资助与支持。