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愛(ài)丁堡大學(xué)Valentina Erastova和杜倫大學(xué)Karl S. Coleman課題組--石墨烯分散劑的分子指紋圖譜鑒定
       石墨烯等2D材料的規(guī)?；a(chǎn)和分散對(duì)其商業(yè)應(yīng)用至關(guān)重要。雖然通常使用液體剝離，但N-甲基吡咯烷酮(NMP)等溶劑有毒，難以放大。然而，化學(xué)空間的巨大規(guī)模阻礙了替代溶劑的研究。在這里，我們提出了一個(gè)計(jì)算管道通知有效剝脫劑的識(shí)別。經(jīng)典的分子動(dòng)力學(xué)模擬提供了相互作用的統(tǒng)計(jì)采樣，能夠識(shí)別成功溶劑的關(guān)鍵分子描述符。通過(guò)量子力學(xué)計(jì)算研究這些模擬的統(tǒng)計(jì)代表性配置，使我們能夠深入了解表面-溶劑界面的化學(xué)物理相互作用。作為一個(gè)例子，通過(guò)這個(gè)管道，我們發(fā)現(xiàn)了一種潛在的石墨烯剝離劑2-吡咯烷酮，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明它與NMP一樣有效。我們的工作流程可以推廣到任何2D材料和溶劑系統(tǒng)，能夠篩選各種化合物和溶劑，以確定更安全、更便宜的生產(chǎn)分散體的方法。 
 
圖1.管道建模。石墨表面被感興趣的溶劑包圍，并用 MD 模擬(左上角，石墨層顯示為黑色)。每個(gè)溶劑分子的取向由一個(gè)向量(橙色箭頭)和一個(gè)平面(黃色菱形)描述;然后提取出每種溶劑的方向與表面距離的函數(shù)關(guān)系(如右上角的2D 概率密度所示)。從物種的方向分布在第一個(gè)解殼只(顯示為一個(gè)二維概率密度，右下) ，代表性的安排被確定(見(jiàn)兩個(gè)插圖的例子)。提取代表性溶劑的坐標(biāo)，下面的表面和溶劑的外殼，并進(jìn)行平面波 DFT 計(jì)算(左下)。 
 
圖2.石墨烯片上溶劑取向的指紋圖譜。該圖是表面涂層溶劑分子取向的統(tǒng)計(jì)分布，顯示了最可能的取向在較淺的顏色，如矢量(x 軸)和平面(y 軸)的仰角所描述的， (a) NMP 具有很強(qiáng)的對(duì)稱對(duì)齊偏好。(b)二甲基亞砜具有強(qiáng)烈的線性特征，描述了一系列優(yōu)選的比對(duì)。(c)乙醇不具有任何明顯的表面有序性。 
  圖3.石墨烯片表面上的NMP溶劑，(a)顯示俯視圖，和(b)側(cè)視圖。渲染突出了單個(gè)NMP分子，代表最常見(jiàn)的取向，與石墨烯(透明球體)相互作用，并被其他NMP溶劑分子(透明)包圍。顏色如下:灰色代表碳，紅色代表氧，藍(lán)色代表氮，白色代表氫原子。 


圖4.溶劑分散效果的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)。對(duì)于每種實(shí)驗(yàn)測(cè)試的溶劑: 環(huán)戊酮(CPN)、丙酮(DMF)、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮(dMI)、 N- 甲基吡咯烷酮(NMP)、2-吡咯烷酮(PRL)。(a)描述石墨烯表面溶劑取向的指紋(詳見(jiàn)圖2和支持信息)。(b)統(tǒng)計(jì)拉曼分析表示為三維熱圖，其中黃色表示較高的樣本群體，灰色表示由石墨樣本占據(jù)的區(qū)域。(c)剪切混合和離心后的溶劑瓶照片; 圖像下給出了溶劑中石墨烯片的濃度。測(cè)試。 
 
圖5.PRL 法制備石墨烯薄片的顯微分析.(a)沉積在硅片上的剝離石墨烯片的 AFM 顯微照片，插入: 沿著與圖像刻度相同的 x 刻度的白線的高度剖面。(b)片狀橫向尺寸分布，長(zhǎng)寬平均，NMP和 PRL  TEM 平均為25。(c)較厚的少層石墨烯薄片的折疊邊緣的 TEM 顯微照片，其中14個(gè)碳層可見(jiàn)，并以白線突出顯示。(d)單個(gè)石墨烯薄片的 TEM 顯微照片。
 
      相關(guān)科研成果由愛(ài)丁堡大學(xué)Valentina Erastova和杜倫大學(xué)Karl S. Coleman等人于2022年發(fā)表在ACS Nano（https://doi.org/10.1021/acsnano.2c04406）上。原文：Identification of Graphene Dispersion Agents through Molecular Fingerprints。

轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
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