“石墨烯怕水”……IBS解开长达10年的争论[读懂科学]

通过机器学习模拟查明原因
隐藏在石墨烯下方的水分子引发“错觉”

基础科学研究院（IBS）研究团队阐明了石墨烯在本质上是一种将水弹开的“疏水性”材料。分析认为，此前不同实验中石墨烯有时表现为“喜水”，有时又表现为“排斥水”这一相互矛盾结果的原因，在于石墨烯下方隐藏着一层极薄的水层。

IBS于11日表示，由分子光谱学及动力学研究团团长 Jo Minheng 和高丽大学化学系教授 Stephan Ring 研究团队利用基于机器学习的分子动力学模拟，在原子尺度上分析石墨烯与水的界面，结果确认：无缺陷的纯石墨烯在本质上具有疏水性，同时也不具备“润湿透明性（wetting transparency）”。

单层与多层石墨烯中的水渗透差异。a) 比较水分子进入石墨烯下方所需能量的结果。单层石墨烯能量势垒较低，水易于渗透；而四层石墨烯则需要更高能量，渗透困难。b) 示意图表明，在单层石墨烯中，水分子进入石墨烯与亲水性基底之间的缝隙，比停留在石墨烯表面上更加稳定。c) 在四层石墨烯中，向下方空间的水渗透被阻断，水分子停留在石墨烯表面。研究团队供图

石墨烯是由单层碳原子构成的典型二维材料。由于其强度和电学特性优异，一直被视为下一代半导体和能源材料的候选者，但关于其与水的相互作用，争论已持续10余年。

在部分实验中，观察到水在石墨烯表面呈水珠状聚集，表现出疏水特性；但在另一些实验中，却得出了水在其表面铺展开来的亲水性结果。尤其是由于石墨烯仅有一个原子层厚度，有观点提出“润湿透明性”假说，认为其下方基底的性质会原封不动地显露出来。

“石墨烯下方被困的水是原因”

研究团队确认了在纯石墨烯表面附近，水分子之间键合被打断的一种“突出型（dangling）O-H 键”形态。此外还观察到，随着石墨烯层数增多，这种特性愈发明显。

既有实验结果出现分歧的原因在于被困在石墨烯与基底之间的水分子。在亲水性基底上的单层石墨烯中，空气中的水蒸气会渗入石墨烯下方，形成一层薄水膜。在这种情况下，上方石墨烯表面的水与下方水层的信号会同时被测量，并相互部分抵消，从而使本来具有疏水性的石墨烯看上去像是亲水的。

相反，当石墨烯层数增多时，水难以向下渗透，被隐藏的水层影响也随之消失。因此，在多层石墨烯中，石墨烯本来的疏水性得以完整呈现。

研究团队预计，此次结果也将对石墨烯基技术的开发产生影响，例如纳流体器件、海水淡化膜、氢燃料电池、能量存储装置等，因为已确认即便只有极薄的一层水膜，也会显著改变界面特性。

研究团长 Jo Minheng 表示：“通过揭示存在于石墨烯下方的水所起的作用，我们得以理解石墨烯本征的润湿性。”

本次研究成果已于今年4月2日在线发表在国际学术期刊《Nature Communications》上。