界面诱导下溶剂化氧化石墨烯相互作用热力学驱动和界面微结构

Graphene oxide (GO) is a type of unique soft matter with two-dimensional amphiphilic nature. Due to its ease preparation and high chemical activity and solubility, GO could be applied as materials units to prepare different functionalized macroscopic carbon materials. At present, interface-based self-assembly technique has been considered as advanced strategy of material preparation with controlled microscopic structures and tuned properties. In order to develop the interface-based self-assembly technique, as the main challenge, it is critical to understand the driving force and controlling factors in the interface-induced GO self-assembly process. This will require microscopically studying the interaction mechanism between GO nanostructures in interfacial phase regions. In this research project, the thermodynamics free energy will be adopted as the microscopic driving force for the interface transfer and self-assembly of GO unit structures. By using the combined quantum mechanics computation and molecular dynamics simulation, the chemical interface activity and the thermodynamics interactions for the GO nanosheets in the liquid/liquid and gas/liquid interfaces have been studied. As compared with the thermodynamics behavior in bulk phase, the modulating function and affecting factors on the GO interaction arising from the interfacial solvation effects have been revealed. The research result will be helpful to develop new technique for GO interface self-assembly and will be beneficial to prepare new-typed functionalized carbon materials. Meanwhile, the research will improve the theoretical understanding of surface and interface behavior for complicated nanomaterials.

氧化石墨烯（GO）是一种具有独特双亲特征的二维结构软材料，其制备简单，高的化学活性和优良溶解能力为以溶剂化态GO作为结构单元组装制备宏观尺度功能碳材料提供了前提条件。目前基于GO的相界面自组装是一种先进的制备策略，具有可控微结构和可调性能优势。为了发展高效的GO界面组装技术，需要对GO界面组装驱动控制因素这一关键过程问题深入了解，需要从微观尺度研究GO在相界面分子作用的机制规律。本课题以热力学自由能作为纳米尺度GO在相界面迁移及组装的微观驱动力，通过量化计算和分子动力学模拟，从微观水平研究两亲性GO纳米材料在气/液和液/液相界面处热力学亲和活性和界面热力学相互作用，辅助于主体相GO的溶剂化热力学行为的比较，研究将揭示界面相溶剂化微结构演变对GO间相互作用的调控机制和影响因素。研究结果将有助于发展GO界面自组装技术和设计制备新型功能型碳材料，同时研究将深化对复杂纳米材料表面/界面的认知水平。

氧化石墨烯(GO)是一种独特的具有两亲性的二维材料，在广泛领域中展现出巨大的应用前景。在其制备和应用的过程中，基于GO的相界面自组装是一种先进的制备策略，具有可控微结构和可调性能优势。需要对GO界面组装驱动的控制因素进行系统研究，并对GO在相界面处的相互作用机制做深入解析。据此课题以热力学自由能作为纳米尺度GO在相界面迁移及组装的微观驱动力，从微观水平研究两亲性GO纳米材料在相界面处热力学亲和活性和界面热力学相互作用和微观结构，模拟研究揭示界面溶剂化结构演变对GO间相互作用的调控机制和影响因素。课题主要针对气液界面和液液界面GO吸附及相互作用，同时开展GO相互作用研究。课题主要结成果：1）模拟GO由体相迁移到气液和液液界面的热力学自由能轨迹变化趋势，分析界面吸附热力学驱动力，以及与氧化度和去质子化程度的相关性，为GO在界面的吸附稳定性提供一个热力学的判定基准；2）在界面处的GO相互作用研究中，发现GO的相互作用主要由GO周围受限分子的溶剂化作用和GO本身之间的作用联合控制。对于气液界面，去质子化带电GO和非去质子化（中性）GO存在不同的相互作用机制，对此，我们提出了相界面的二维GO的取向控制水合作用机制。对于液液界面，油水溶剂呈现不同溶剂化作用机制，体现差异性作用。研究结果将为通过改变GO结构和化学特性，及选择不同溶剂调控GO之间相互作用提供了依据；3）基于DFT理论揭示了不同特性溶剂与GO官能团界面作用微观现象，阐明了溶剂化作用与溶剂介质中GO之间分散作用的相关性；4）进行了GO二维纳米通道中溶剂的分子插层行为和受限界面作用的研究，建立了溶剂分子在非均质结构的GO纳米通道中流动规律，为GO层状膜在液体分离的应用上提供理论支持。研究结果将有助于发展GO相界面自组装技术和设计制备新型功能型材料，同时研究将深化对复杂纳米材料表面/界面行为的认知水平。研究课题截止目前已经发表国际SCI收录论文14篇。