化學與材料科學 - 大連理工大學鄭勇剛、葉宏飛教授課題組《ACS AMI》：雙層二維材料表面的可控梯度潤濕性－鑽石舞台

點擊藍字關注我們

潤濕性是固體表面的重要屬性，可控的、梯度的潤濕性在電子、醫學、化學等領域具有廣闊的應用前景。然而，潤濕性的梯度及其調控通常依賴於表面結構或其對外場響應的精細設計，複雜的調控機理使得定量表徵面臨挑戰，這為圍繞相關功能性表面的器件設計帶來了困難。

大連理工大學工程力學系鄭勇剛、葉宏飛教授課題組在《ACSAppliedMaterials& Interfaces》期刊上發表了題為「Controllable and Gradient Wettability of Bilayer Two-Dimensional Materials Regulated by Interlayer Distance」的文章（DOI：10.1021/acsami.2c08282），並被選為當期的Supplementary Cover。該工作利用類石墨烯結構二維材料的超薄特性，提出了基於層間距控制的雙層二維材料表面潤濕性調控方法，通過數值模擬分別揭示了潤濕性調控規律以及梯度潤濕性驅動的液滴定向運輸現象（模型如圖1所示），同時結合黏附能建立了層間距、單層材料屬性與潤濕性控制關係、梯度驅動加速效果的理論模型。研究工作為二維材料在微納流動領域的應用以及可控潤濕性表面的設計提供了有價值的參考和理論指導。

圖1. 潤濕性可控表面和潤濕性梯度表面的數值模型。

可控潤濕性表面。圖2顯示了雙層二維材料表面的接觸角隨層間距的變化規律。結果表明親水、疏水底層材料的介入均會使得雙層二維材料的表面潤濕性能趨於親水性。隨着層間距的增加，雙層二維材料的表面潤濕性能會逐漸趨近於表層材料的潤濕性。結合接觸角的變化趨勢以及相互作用能量在上下兩層材料之間的分配，進一步闡明了石墨烯潤濕透明性現象的發生條件，即基底材料相對於石墨烯需具有更親水或者相當的潤濕性並位於適當的與潤濕性相關的層間距下。同時，基於圖3所示的理論模型通過黏附能實現了考慮層間距的雙層二維材料表面潤濕性調控的定量表徵，計算結果與Young-Dupré方程和數值模擬結果吻合良好，驗證了潤濕性調控方案的合理性與準確性。

圖2.雙層二維材料的接觸角與層間距的關係。其中，數據點形狀用以區分表層材料的潤濕性、顏色用以區分底層材料的潤濕性。

圖3. (a).理論模型及其參數示意圖；(b).接觸角的理論預測結果與模擬結果的對比。

梯度潤濕性表面。對於雙層二維材料而言，底層材料的傾斜可以使得層間距沿着傾斜方向發生均勻變化，從而在雙層二維材料的表面形成了連續、均勻變化的潤濕性梯度。圖4給出了納米液滴在潤濕性梯度驅動下的運動過程，可以看出液滴的運動構型與外力驅動方式反向，這是因為運動的驅動力源自於液滴底部。根據層間距的變化，進一步結合液滴在運動方向的黏附能變化率建立了描述梯度潤濕性表面加速效果的理論模型，定量地分析了層間距、底層材料傾角、材料屬性對液滴驅動的影響規律（圖8），揭示了底層材料在潤濕性梯度方面的主導作用。