什么是范德华力以及为什么它们对石墨烯很重要？

作者：利亚姆·克里奇利（Liam Critchley）（化学和纳米技术作家）

石墨是由数百万层石墨烯堆叠而成，通过称为“范德华力”的看不见的静电吸引力结合在一起。Avadain的电化学剥离工艺通过温和地克服范德华力来释放石墨烯，释放大而薄且几乎无缺陷(LTDF)的石墨烯薄片，这些石墨烯薄片可用作添加剂来改进数千种产品。

但这些神秘的范德华力到底是什么？对于石墨烯来说，这是一个重要的——实际上是关键的——问题，我们将在本文中探讨。

背景

荷兰物理学家 约翰内斯·迪德里克·范德瓦尔斯（Johannes Diderik van der Waals，上图）因创建一个方程定义了分子相互吸引的概念而荣获1910年诺贝尔物理学奖。这些吸引力将许多形式的原子和分子物质结合在一起，这些物质不通过化学键（例如，共价键）连接。它们在纳米技术、超分子化学、结构生物学、表面科学和凝聚态物理等多个领域发挥着重要作用。（接受这个，谢尔顿·库珀！）

最著名的分子间吸引力可能是氢键，因为它存在于水中。当分子中的氢原子与另一个具有孤对电子的分子受到静电吸引力时，就会发生这种情况。通常是氧，但也可以是其他负电性原子，例如氮或氟，在某些情况下，还可以是硫、氯或碳（但这些原子往往相对较弱）。

不过，氢键并不是分子间力的唯一例子。分子间力以多种形式存在，具体取决于材料中的原子及其结构排列。不同的材料具有不同的分子间作用力。

范德华力在石墨烯材料中起着至关重要的作用。它们不仅影响不同石墨烯层如何相互作用以粘合它们，而且还影响这些层如何与它们沉积、混合或集成的任何其他材料相互作用。

什么是范德华力？

范德华力是最重要的分子间力，因为它们在所有材料和化学系统的稳定性中发挥着关键作用。

Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek (DLVO) 理论指出，所有粒子相互作用都基于两种主要的分子间力：吸引的范德华力和排斥的静电双层力。如上所述，范德华力将中性分子（包括石墨烯）彼此吸引。当这些粒子进入阈值距离时，来自一个粒子的电子逐渐被拉向另一个粒子的原子核。当原子或分子经过这个阈值距离时，富电子域和缺电子域之间会发生极化。这会产生一个感应偶极子，一个原子上有 δ+，另一个原子上有 δ−。δ+ 侧吸引 δ−，使两个原子的电子云重叠，形成键。

但也有一种抵消的排斥力。在1nm-3nm处，排斥性静电双层力将粒子推开。

由于范德华力相对较弱，机械运动可以破坏分子间的吸引力。最著名的例子是石墨铅笔，铅笔在纸上的机械运动将石墨层切割到纸上（它不会切割石墨烯，因为许多层会同时脱落，否则我们将无法看见）。

范德华力由许多偶极力组成。主要有基森力（偶极-偶极）、德拜力和伦敦色散力。当两个极化分子具有不同的电荷分布时，就会产生Keesom力。当具有永久偶极子的分子与不具有偶极子的分子相互作用时，德拜力因电荷的重新分布而产生。伦敦色散力是电子云的波动，当两者都没有永久偶极子时，它会改变分子之间的电荷分布。所有这些都被归类为范德华力。

范德华力可以发生在大小均匀的颗粒和不均匀的颗粒之间，但是当存在不均匀的颗粒系统时，它会导致较大的颗粒被较小的颗粒包围。虽然范德华力对于许多化学系统很重要，但它们对于纳米材料系统将纳米材料层固定到位，甚至对于某些纳米材料自组装也至关重要。

每个分子与其邻近的介质、材料或环境都表现出一定程度的范德华相互作用。这可以像范德华力一样简单，它在水与不同表面相互作用的方式中发挥作用，从而利用相互作用将复杂的蛋白质结构保持在一起。

由于范德华力是所有分子以某种方式（当它们紧密接触时）相互作用的机制，因此范德华力在许多材料和化学分子所表现出的特性以及他们与周围环境互动的方式。

石墨烯中的范德华力

石墨烯是一种添加材料。范德华力对于石墨烯添加到其他材料（例如复合油墨或涂料配方）时的相互作用以及整体稳定性起着关键作用。

石墨烯中的碳原子是sp²杂化的，因此石墨烯颗粒中每个碳原子有一个自由π电子。这意味着石墨烯颗粒可以吸引其他石墨烯颗粒和其他材料。与其他材料形成这些范德华相互作用的能力是有益的，因为它们提供了更强的相互作用，最终使最终产品更加稳定，并提供从石墨烯到主体的更好的性能转移。

范德华力在石墨烯与其周围环境的相互作用中也发挥着关键作用。例如，范德华力决定了不同原子掺杂的有效性。它可以：控制粒子与不同基材（例如不同金属或不同聚合物）的相互作用；促进电子设备中的电荷转移机制；并且，当石墨烯用作传感器（特别是在气体传感中）时，会将感兴趣的刺激颗粒吸引到颗粒表面。

在任何材料体系中，较大的颗粒与周围的颗粒形成较强的分子间力，石墨烯也不例外。对于大的石墨烯颗粒，例如LTDF石墨烯薄片，较大的薄片可以促进与周围介质/环境更多的分子间相互作用，因为LTDF石墨烯薄片的大粒径具有更大的电子云来与其他基材和分子相互作用。这提供了与周围环境更紧密的分子间联系，使它们在石墨烯用作添加剂的应用中更加稳定，例如在复合材料、油墨和涂料配方中。

二维异质结构中的范德华力

石墨烯的前​​沿机遇之一是创造具有新颖混合特性的新材料。当两种或多种类石墨烯材料堆叠在一起时，它们的性能会发生变化，从而为设计新型纳米器件提供了可能性。这些混合材料的特性可以通过扭转两个堆叠层来控制，为下一代复合材料和纳米器件的纳米级控制提供了独特的自由度，无需任何化学键，因为它们仅通过范德华力结合在一起。

考虑范德华异质结构的一种方法是考虑石墨。石墨是由范德华力结合在一起的许多石墨烯层。范德华异质结构使用相同的原理。唯一的区别是，并非所有层都具有相同的分子结构，并且异质结构中的层数往往比石墨中少得多。

范德华相互作用将不同的二维材料层固定在适当的位置，并且这些异质结构的特性可能与其各部分的总和有很大不同。如果没有范德华力，就不可能堆叠石墨烯和其他二维材料。

范德华异质结构的多功能性非常广泛，您可以生成的材料特性也是如此。这是因为大量的二维材料可以以不同的配置彼此堆叠，每一层直接堆叠在一起，或者在某些情况下，稍微扭曲以改变材料的电子特性。异质结构。

利用这些分子间相互作用创建范德华异质结构的能力为新型二维材料的广泛应用开辟了道路，包括一系列传感器、晶体管、光电、光子、LED、能量存储、电催化和量子技术设备。

结论

范德华力是石墨烯材料的一个关键方面，因为它们无需化学键即可将石墨烯的不同层固定在一起。市场上的大多数石墨烯材料都是多层或多层的，因此范德华力比许多人想象的更重要。

这种层状结构不仅有助于定义石墨烯本身的特性，而且还是一种关键的分子间力，支撑石墨烯材料在集成到其他材料中时如何与其周围环境相互作用。它也是创造具有独特性能的新型材料（例如二维材料异质结构）的关键力量。

较大的石墨烯颗粒尺寸可以促进与周围环境更多的分子间相互作用，这就是为什么LTDF石墨烯薄片是基于加法基体的应用（复合材料等）的理想选择，其中范德华力在产品稳定性和性能中发挥着关键作用。

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