研究人员使用石墨烯纳米片来改进防冰策略

石墨烯网 • 2022年1月6日 22:48 • 科研进展 • 阅读 1001

在《Coatings》杂志上发表的一项研究中，提出了一种表面构型设计，以考虑金属和石墨烯的晶体结构和亲水性。

研究方向：石墨烯纳米片表面亲水性的图案化结构对冰成核和生长的抑制作用.图片来源：Denis Burdin/Shutterstock.com

进行分子动力学（MD）模拟以研究冰成核和生长。详细研究了影响成核的不同因素，如表面构型、表面亲水性、阻碍效应、冰核横向膨胀、边界定向错误等。这种对成核和生长栖息的微观研究将有助于设计防冰表面系统。

仿真系统图示。（a）用一盒液态水覆盖的金属 – 石墨烯纳米片表面的模型。典型的冰核形成在表面上是图示的。（b）其他三个模拟系统的模型。纯金属，纯石墨烯和石墨烯 – 石墨烯纳米片表面系统。© 蒋斌等（2022）

石墨烯的用途

石墨烯对冰的成核和生长有影响，因为它可以在一定条件下抑制冰的形成。不同的研究表明，石墨烯重量轻，可以用作防冰系统中的加热器。

控制因素

非均相冰成核的形成有不同的控制因素：表面亲水性和表面结晶度的耦合，以及表面亲水性与表面形貌之间的动力学。

研究人员做了什么

该团队使用石墨烯纳米片在金属表面上创建表面亲水性构型，而MD用于检查表面上冰的成核和生长特征。

采集了不同表面构型的样品，研究了特定条件下冰成核和生长的过程和初始化。所有这些样品在石墨烯纳米片和金属基板之间具有不同的表面亲水性差异。还通过分子动力学过程计算了冰核晶体之间的生长速率和定向障碍。

分子动力学模拟方法

为了探索表面冻结的延迟，进行了不同的MD模拟。

金属-石墨烯纳米片在系统中用于MD仿真。此外，还构建了另外三个仿真系统进行比较，其中包括纯金属，纯石墨烯和石墨烯 – 石墨烯纳米片表面仿真。

这些模拟以不同的相互作用强度为主要元素。本研究采用单原子水（mW）模型表示水分子之间的相互作用。

优异的结构性能和接近实验的熔点表征了这种特殊的水模型。水分子之间的短程双体和三体相互作用被认为是mW模型的一部分。因为它是一个单原子，所以它的动力学速度要快得多，这减少了冰冻模型的计算负担。

每次冷却模拟运行五次，以确保结果在统计上是合理的。在模拟过程中，监测了结冰过程的开始和停止。当冰核中的水分子数量开始迅速增加时，结冰过程开始了。另一方面，冰的末端被选为冰核稳定时的点。

冰成核的优先位点的快照以及随后在金属 – 石墨烯表面上的冰晶生长。（a）表面清除时的冰成核，ε_宽-米= 4.0 kcal/mol. （b–d）在间隙处出现的冰核的代表性生长轨迹，由黄色圆圈表示（从顶视图）。（e）石墨烯纳米片顶部的冰成核，ε_宽-米= 1.0 kcal/mol. （f–h）出现在石墨烯纳米片顶部的冰核的代表性生长轨迹。银色和黑色的球体代表金属和碳原子。覆盖在其上的白色棍子代表液态水分子，蓝色和绿色棍子分别将冰分子对与六边形和立方结构顺序连接起来。© 蒋斌等（2022）

重要研究发现

在这项研究中，有可能使用分子动力学模拟来探索金属 – 石墨烯纳米片表面的冻结延迟能力，并获得对限制间隙配置中冰成核和生长的过程的微观见解。

当金属基材表面亲水性ε_宽-米高于1 kcal/mol，防止其他水分子干扰金属基板，形成界面层水。表面亲水性差异为5.87 kcal/mol，使冰成核延迟了ε内高达5.25 ns_宽-米范围为4.0至14.0千卡/摩尔。当ε_宽-米为8.0千卡/摩尔，冰核以最慢的速度发育。由于金属基板表面亲水性ε_宽-米超过1.0千卡/摩尔，冰胚的成核位点从石墨烯纳米片的顶部迁移到间隙。

展望

本研究呈现了石墨烯纳米片表面亲水性的配置，以抑制冰成核和生长。此外，与冰晶之间的接触面积成正比的发育迟缓效应会在冰晶之间的边界迷失方向时限制冰的生长。这些发现为研究纳米石墨烯及其衍生物对冰成核、生长及其在抗冰材料中的潜在应用提供了一个基本模型。

参考

Jiang, B. et al (2022) Patterning Configuration of Surface Hydrophilicity by Graphene Nanosheet towards the Inhibition of Ice Nucleation and Growth. Coatings. Available at: https://www.mdpi.com/2079-6412/12/1/52

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