【研究进展】非均质电荷极化和分布对水-石墨烯界面摩擦的影响：基于密度泛函理论的机器学习研究

研究背景

水在功能二维（2D）材料上的流动揭示了许多有趣的物理特性，并具有将机械能可持续和可再生转化为电能的巨大潜力。最近的实验研究表明，当水流或含离子的水滴在石墨烯覆盖的表面上移动时，或者在石墨烯片参与水蒸发过程的情况下，都可以产生电力。减少水-石墨烯界面的摩擦对于提高石墨烯基纳米发电机的能量转换效率和器件耐久性至关重要，然而，水流对缺陷石墨烯电荷分布的影响以及由此产生的电荷再分布对界面摩擦的影响很少被研究。

基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算由于其在预测电荷密度和分布方面的高精度，已被广泛用作先前关于水-固体界面相互作用和摩擦的理论研究的主要研究方法。固体表面上的水分子的动态性质，特别是在流动过程中，会导致其位置和固体表面电荷的时间变化。因此，由于涉及大量的时间和计算资源，执行完整的DFT计算以获得长时间模拟（超过纳秒）的每个时刻的电荷变化在经济上是令人望而却步的。为了克服传统计算方法的局限性，最近开发的1种由DFT计算结果训练的机器学习（ML）技术，可以仅从原子位置预测电荷密度，而无需求解Kohn–Sham方程。ML与DFT的结合为在长时间模拟过程中获得固体表面上的电荷变化提供了1条可行的途径。

研究思路

在这项研究中，使用基于DFT的ML技术系统地研究了水覆盖的原始和缺陷石墨烯的电荷极化和再分配，并通过ML参数化长时间分子动力学(MD)模拟研究了其对水-石墨烯界面摩擦的影响。在石墨烯片上观察到非均匀电荷极化和分布，当水存在或流过其表面时，伴随着edl的形成。石墨烯中缺陷(空位和Stone – Wales缺陷)的存在显著降低了水-石墨烯界面的摩擦系数，并增加了水的滑移长度。缺陷石墨烯上界面摩擦的减小可归因于缺陷石墨烯上更强的非均质电荷极化和分布，以及edl的滑移长度与表面电荷密度之间的反比关系。

主要结论

1. 广泛的基于DFT的ML计算和长期MD模拟揭示了石墨烯在水-石墨烯界面的非均匀电荷极化和分布，以及石墨烯中EDL的形成。
2. 在石墨烯中引入缺陷显著增强了电荷极化和分布的不均匀性。因此，与原始石墨烯相比，缺陷石墨烯在水-石墨烯界面处的摩擦减少，因为更强的电荷异质性导致更低的表面电荷密度。
3. 所获得的结果加深了对缺陷在影响水覆盖石墨烯电荷分布中的作用的理解，并提出了一种利用缺陷工程减少和控制水-石墨烯界面摩擦的可行方法。
4. 所提出的通过基于DFT的ML计算对MD模拟进行参数化的方法为集成ML技术、DFT和MD来描述水-固界面的时间依赖和电荷相关相互作用提供了1条很有前途的途径。

文章信息

1、Hao Li, Wanlin Guo, and Yufeng Guo*. Impart of Heterogeneous Charge Polarization and Distribution on Friction at Water-Graphene Interfaces: a Density-Functional-Theory based Machine Learning Study[J]. Journal of Physical Chemistry Letters, 2024,Publication Date:June 17, 2024.

https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.4c01274.

2、作者团队来自南京航空航天大学航空航天结构力学与控制国家重点实验室、智能纳米材料与器件教育部重点实验室。