最近发表在《科学报告》（Scientific Reports）上的一项研究调查了易电离锂功能化石墨烯与生物聚合物海藻酸钠（SA）之间的相互作用。
研究采用密度泛函理论（DFT）分析了这些石墨烯/SA/锂复合材料在生物医学应用中的结构、电子和光谱特性。
研究：功能化石墨烯/海藻酸钠复合材料的分子建模分析。 图片来源：Artbox/Shutterstock.com
背景
石墨烯等二维（2D）纳米材料具有独特的物理化学特性，包括高比表面积、更高的稳定性、良好的生物相容性、简便的改性能力以及固有的多功能性，因此在生物医学应用中大有可为。
将石墨烯融入复合材料可显著改善其表面特性。 此外，在石墨烯结构中策略性地掺入各种原子还有助于优化其特性，以满足特定应用的需要。
众所周知，锂元素是唯一能浮在水面上的金属。 锂元素具有长期稳定性，能有效阻止躁狂症和抑郁症的复发，因此在预防躁狂症的药物中备受青睐。
另外，海藻酸钠是一种天然、无毒、生物相容性好的生物聚合物，具有很强的吸水性。
因此，本研究建议使用锂和海藻酸钠来增强石墨烯的功能性和生物相容性。 通过基于 DFT 的分子建模评估了所得到的复合材料的结构和功能特性。
计算方法
研究人员使用高斯 09 (G09) 软件进行了所有建模计算。 首先，使用基于混合交换相关函数 B3LYP 的 DFT 对模型分子进行了优化。
建模过程包括顺序功能化，从石墨烯开始，然后使用各种相互作用方案进行石墨烯-Li 功能化。 最后，设计出了石墨烯-Li-SA 复合材料，并对其结构、电子和光谱特性进行了研究。
对每种结构进行优化后，分析了它们的重要特性，包括总偶极矩（TDM）和分子静电势。
此外，还确定了每种结构的最高占有分子轨道（HOMO）-最低未占有分子轨道（LUMO）能隙（ΔE）。 低 ΔE 和高 TDM 通常表明分子具有高反应性。
此外，还在相同的理论水平上测定了模型分子的红外光谱和拉曼光谱。
最后，绘制了状态密度（DOS）和投影状态密度（PDOS）图，以了解它们的电子特性。
结果与讨论
研究人员使用由 24 个碳原子组成的模型分子作为石墨烯，研究了 13 种不同的石墨烯-锂构型。
其中，石墨烯与两个锂原子的相互作用较弱，表现出最高的反应活性，TDM 为 5.967 Debye，ΔE 为 0.748 eV。值得注意的是，原始石墨烯的 TDM 和 ΔE 分别为 0 Debye 和 4.035 eV。
静电位图显示，含有锂和三个单位 SA 的石墨烯（石墨烯/3SA/锂）表面的电位密度增加，特别是在靠近海藻酸分子的区域。
此外，石墨烯/3SA/锂构型在两个侧碳上的相互作用较弱，反应活性最高，达到 15.509 Debye TDM 和 0.280 eV ΔE。
测定了复合材料的绝对硬度和柔软度，以评估添加锂原子对石墨烯/SA 的稳定性和反应性的影响。 石墨烯/SA/Li 的硬度和化学势随 Li 原子位置的变化而变化。 因此，与锂的相互作用使石墨烯/SA 更具活性。
振动光谱计算证实了优化分子的稳定性，因为它们的光谱中没有负频率。 此外，由于与锂和 SA 的相互作用，石墨烯的光谱特征显示出向低波数（红移）的移动。
这归因于与锂和 SA 作用时 ΔE 值的变化，并可能导致石墨烯的光吸收偏移。
此外，石墨烯/3SA/锂的 PDOS 图显示，在最高 HOMO 轨道中，锂、钠、氢和氧的贡献相等，而碳的贡献最小。
另外，在 LUMO 轨道中，锂的贡献率最高，其次是钠、氢和氧，它们的贡献率较低，而碳的贡献率最低。
结论
总的来说，研究人员通过功能化石墨烯与锂和生物聚合物 SA 等易电离元素的相互作用，成功证明了功能化石墨烯在生物医学应用中的潜力。
建议的建模方法包括首先用 Li 对石墨烯进行功能化，然后引入 SA 以增强复合材料的生物相容性。
该计算分析通过 TDM、ΔE、分子静电位、DOS、PDOS 和红外光谱等参数对功能化石墨烯系统进行了全面深入的研究。
它有助于进一步开发和优化石墨烯和其他二维材料，使其应用于实际生物医学领域。
期刊参考文献
Elhaes, H., Ibrahim, A., Osman, O., & Ibrahim, M. A. (2024). Molecular modeling analysis for functionalized graphene/sodium alginate composite. Scientific Reports, 14(1), 14825. doi: 10.1038/s41598-024-64698-x. https://www.nature.com/articles/s41598-024-64698-x
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