一种基于层间距精准调控双层二维材料润湿性的方法

1.一种基于层间距精准调控双层二维材料润湿性的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：建立双层二维材料润湿的数值模型；
首先，建立周期性的两片单层二维材料构成双层结构的固体材料，其质地均匀且连续，上层固体材料的面密度为 下层固体材料的面密度为 其次，两片单层二维材料之间保持相互平行，层间距为d；定义位于两层固体材料表面的上方且与之平行区域作为液体，其质地均匀且连续，体密度为ρL；上层固体材料的表面与液体底面的距离为de；上层固体材料与液体间的范德华相互作用的能量参数为εu，距离参数为σu，下层固体材料与液体间的范德华相互作用的能量参数为εl，距离参数为σl；固体材料和液体共同组成润湿系统； εu和σu组成上层固体材料的材料属性， εl和σl组成下层固体材料的材料属性；
步骤二：基于上述数值模型建立润湿性能表征理论；通过计算润湿系统中固体与液体之间的粘附能Wa，将粘附能代入润湿理论公式，从而建立润湿理论数值模型接触角的表达式；
利用固体分子与液体分子之间范德华相互作用的总能量表示固体与液体之间的粘附能Wa；固体材料的上层单层材料与液体之间的粘附能 由上层固体材料中分子与液体分子范德华相互作用积分求得，固体材料的下层单层材料与液体之间的粘附能由下层固体材料中分子与液体分子范德华相互作用积分获得；因此，双层二维材料与液体之间的粘附能Wa能够通过上层和下层固体材料与液体之间的粘附能叠加而成：
根据Young‑Dupré润湿理论模型：
Wa＝γLV(1+cosθ)    (2)
其中，γLV为液体的表面张力，θ表示液体在固体材料表面上润湿时的接触角；联立(1)(2)式，即可得到接触角的表达式为：
步骤三：根据步骤一中上层固体材料和下层固体材料的材料属性代入式(3)中计算接触角θ，其中上层固体材料和下层固体材料之间的层间距d为自变量；通过上述步骤，建立表征润湿性的接触角θ与层间距d的显式关系式，实现层间距调控双层材料整体润湿性的效果，即能够基于二维材料的层间距实现润湿性能的精确调控。

一种基于层间距精准调控双层二维材料润湿性的方法\n技术领域\n[0001] 本发明属于计算二维纳米材料技术领域，涉及一种基于层间距精准调控双层二维材料润湿性的方法。\n技术背景\n[0002] 表面润湿性可变的材料引起了材料科学与工程领域学者的关注。在医学、电子、海洋等领域中有着广阔的发展前景，例如微纳流体设备、油水分离智能薄膜和生物技术等。同时，纳米二维材料，如石墨烯、二硫化钼等，以其特殊的原子结构和优异的物理特性，在实现超导、海水淡化和污水处理等诸多世界前沿难题的研究中展现了至关重要的作用。因此，表面润湿性可变的二维材料的设计和制备具有重要的科学意义和应用价值。\n[0003] 目前，润湿性可变的材料表面的实现方法主要是基于外场作用。例如，通过机械拉伸等力场的施加来改变材料表面的微观结构，或者通过温度、光照和酸碱度等外场的变化来改变材料表面的润湿性。然而，上述润湿性可控表面所需材料构造复杂，并且材料表面的润湿性亦无法得到精确的控制，因而存在操作难度大、成本高昂和应用性差等困难。\n[0004] 随着科学技术的发展以及对纳米材料的研究不断深入，石墨烯润湿透明性质的发现和单层石墨烯的成功制备为表面润湿性能的实时精准调控提供了新的途径。\n发明内容\n[0005] 本发明提供一种基于层间距精准调控双层二维材料润湿性能的方法，并通过分子动力学模拟进行配套验证实施。一方面，此方法避免了通过化学改性和实验制备，利用对二维材料层间距的控制，在不改变材料属性的条件下实现对表面润湿性大范围的(0°～180°)精确控制；另一方面，数值模拟方法有效地避免了实验操作的不便和成本。因此，本发明能够提供一种高效、可行的二维材料润湿性调控的方法。\n[0006] 为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：\n[0007] 一种基于层间距精准调控双层二维材料润湿性的方法，包括以下步骤：\n[0008] 步骤一：建立双层二维材料润湿的数值模型。\n[0009] 所有数值模型通过MATLAB软件编程建立。首先，建立周期性的两片单层二维材料构成双层结构的固体材料，其质地均匀且连续，上层固体材料的面密度为 下层固体材料的面密度为 其次，两片单层二维材料之间保持相互平行，层间距为d。定义位于两层固体材料表面的上方且与之平行的作为液体，其质地均匀且连续，体密度为ρL。上层固体材料的表面与液体底面的距离为de。上层固体材料与液体间的范德华相互作用的能量参数为εu，距离参数为σu，下层固体材料与液体间的范德华相互作用的能量参数为εl，距离参数为σl。固体材料和液体共同组成了润湿系统。 εu和σu组成上层固体材料的材料属性， εl和σl组成下层固体材料的材料属性。\n[0010] 步骤二：基于上述数值模型建立润湿性能表征理论。通过计算润湿系统中固体与液体之间的粘附能Wa，将粘附能代入润湿理论公式，从而建立润湿理论数值模型接触角的表达式。\n[0011] 利用固体分子与液体分子之间范德华相互作用的总能量表示固体与液体之间的粘附能Wa。固体材料的上层单层材料与液体之间的粘附能 由上层固体材料中分子与液体分子范德华相互作用积分求得，固体材料的下层单层材料与液体之间的粘附能由下层固体材料中分子与液体分子范德华相互作用积分获得。因此，双层二维材料与液体之间的粘附能Wa能够通过上层和下层固体材料与液体之间的粘附能叠加而成：\n[0012]\n[0013] 根据Young‑Dupré润湿理论模型：\n[0014] Wa＝γLV(1+cosθ)  (2)\n[0015] 其中，γLV为液体的表面张力，θ表示液体在固体材料表面上润湿时的接触角。联立(1)(2)式，即可得到接触角的表达式为：\n[0016]\n[0017] 步骤三：根据步骤一中上层固体材料和下层固体材料的材料属性代入式(3)中计算接触角θ，其中上层固体材料和下层固体材料之间的层间距d为自变量。通过上述步骤，建立表征润湿性的接触角θ与层间距d的显式关系式，实现层间距调控双层材料整体润湿性的效果。\n[0018] 同时，本发明采用分子动力学方法对同质二维材料的润湿性能进行仿真计算，进一步提高提出方法的调控能力。\n[0019] 本发明的有益效果为：\n[0020] 本发明提出的一种基于层间距精准调控双层二维材料润湿性的方法，能够基于二维材料的层间距实现润湿性能的精确调控，所建立理论模型可以准确、快速、有效地计算出液体在相应材料表面上的接触角，极大地提高效率，为构建润湿性可控的材料表面提供了新策略，避免了实验带来的高成本、难操作和应用性差等问题。\n附图说明\n[0021] 图1为润湿调控理论数值模型示意图。\n[0022] 图2为不同的LJ势能参数对应的润湿性效果。\n[0023] 图3为分子动力学方法验证的润湿过程及模型结构示意图。(a)初始构型正视图；\n(b)平衡构型正视图；(c)模型结构的细节。\n[0024] 图4为理论数值模型的接触角计算结果与分子动力学模拟的结果的对比图。\n具体实施例\n[0025] 下面结合附图与技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。\n[0026] 本发明选取双层石墨烯与水的耦合系统作为数值模型，如图1所示。\n[0027] 选取无限长的两片单层石墨烯材料构成双层结构的固体材料，其质地均匀且连续，上层固体材料的面密度 和下层固体材料的面密度 相等，采用ρS统一表示，由石墨烯的六边形单胞分子结构可计算出ρS的数值为 两片石墨烯材料之间保持相互平行，距离为d。定义位于上层固体材料表面的上方且与之平行的无限水作为液体，其质地均匀且连续，体密度为ρL，根据水分子的质量和宏观水的密度可以计算出水的ρL数值为上层固体材料的表面与液体底面的距离为de。上层固体材料与液体间的范德华相互作用的势能参数为εu，距离参数为σu，下层固体材料与液体间的范德华相互作用的势能参数为εl，距离参数为σl。\n[0028] 双层石墨烯材料和水共同组成了润湿系统。ρs、εu和σu组成上层固体材料的材料属性，ρs、εl和σl组成下层固体材料的材料属性。双层石墨烯材料和水中所有粒子在三维笛卡尔坐标系中的位置通过软件MATLAB编译输出。\n[0029] 石墨烯分子与水分子之间的范德华相互作用采用Lennard‑Jones(LJ)势函数描述。为了能够对大范围的润湿性能进行计算，势能参数εu和εl依次地设定为0.05kcal/mol、\n0.105kcal/mol和0.125kcal/mol，以此分别代表疏水性、中性表面和亲水性的材料表面，并两两相组构成九种润湿性能材料的组合。LJ势函数的参数\n层间距d以 为间隔，从 逐渐增加至\n设置135种润湿性工况。\n[0030] 根据单层石墨烯与块状聚合物粘附能的解析式(Journal of the Mechanics and Physics of Solids，2006,54：2436‑2452)，单层石墨烯与水之间单位面积的粘附能为：\n[0031]\n[0032] 联立式(3)和(4)，代入参数，即可得到135种润湿性工况中对应层间距d下接触角θ的结果，即可表征该类层间距为d的双层二维材料的润湿性能。\n[0033] 为了验证结果的准确性，案例利用分子动力学模拟软件LAMMPS对135种工况分别进行数值模拟。其中，边界条件设置为周期性，系综为NVT，利用Nosé/Hoover恒温器保持系统温度为300K；力场为内置的GROMACS中12‑6类型的LJ势函数，截断半径为 通过PPPM算法考虑长程库仑力，并忽略了碳原子与氢原子之间相互作用；水分子的模型选用TIP4P‑Ew，数目为4000个；每组工况计算三次。分子动力学方法验证的润湿过程及模型结构如图3所示。\n[0034] 在对模拟后的润湿稳态构型进行提取气‑液交界面的处理后，接触角数值的计算由三维椭球拟合的方式给出。理论模型的结果和分子动力学模拟的结果呈现在图4中，可以看出在135种润湿工况中两种方法的接触角计算结果基本吻合，呈现了良好的线性相关性，比值接近1，误差仅为5.2％。该算例证明了本发明提出方法的可行性，即基于二维材料的层间距实现润湿性能的精确调控，所建立理论模型可以准确、快速、有效地计算出液体在相应材料表面上的接触角，极大地提高了效率，避免了实验带来的成本和困难，为润湿性可控表面的研究和制备提供了新思路。\n[0035] 综上所述，仅为本发明的具体实施方式，但发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工程技术人员在本发明的技术范围内，可做一些变换，如调整双层二维材料的参数等，都应该作为侵犯本发明的保护范围。因此本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。