一种基于层间距精准调控双层二维材料润湿性的方法技术

一种基于层间距精准调控双层二维材料润湿性的方法，属于计算二维纳米材料技术领。首先，建立双层二维材料润湿的数值模型。其次，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W

【技术实现步骤摘要】
一种基于层间距精准调控双层二维材料润湿性的方法


[0001]本专利技术属于计算二维纳米材料
，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。
技术背景
[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。
[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。
[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。

技术实现思路

[0005]本专利技术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，本专利技术能够提供一种高效、可行的二维材料润湿性调控的方法。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[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：
[0008]步骤一：建立双层二维材料润湿的数值模型。
[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ρ
L
。上层固体材料的表面与液体底面的距离为d
e
。上层固体材料与液体间的范德华相互作用的能量参数为ε
u
，距离参数为σ
u
，下层固体材料与液体间的范德华相互作用的能量参数为ε
l
，距离参数为σ
l
。固体材料和液体共同组成了润湿系统。ε
u
和σ
u
组成上层固体材料的材料属性，ε
l
和σ
l
组成下层固体材料的材料属性。
[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W
a
，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。
[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W
a
。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W
a
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：
[0012][0013]根据Young
‑
Dupr
é
润湿理论模型：
[0014]W
a
＝γ
LV
(1+cosθ)
ꢀꢀ
(2)
[0015]其中，γ
LV
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：
[0016][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。
[0018]同时，本专利技术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。
[0019]本专利技术的有益效果为：
[0020]本专利技术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。
附图说明
[0021]图1为润湿调控理论数值模型示意图。
[0022]图2为不同的LJ势能参数对应的润湿性效果。
[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；(b)平衡构型正视图；(c)模型结构的细节。
[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。
具体实施例
[0025]下面结合附图与技术方案，进一步说明本专利技术的具体实施方式。
[0026]本专利技术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。
[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ρ
S
统一表示，由石墨烯的六边形单胞分子结构可计算出ρ
S
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ρ
L
，根据水分子的质量和宏观水的密度可以计算出水的ρ
L
数值为上层固体材料的表面与液体底面的距离为d
e
。上层固体材料与液体间的范德华相互作用的势能参数为ε
u
，距离参数为σ
u
，下层固体材料与液体间的范德华相互作用的势能参数为ε
l
，距离参数为σ
l
。
[0028]双层石墨烯材料和水共同组成了润湿系统。ρ
s
、ε
u
和σ
u
组成上层固体材料的材料属性，ρ
s
、ε
l
和σ
l
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。
[0029]石墨烯分子本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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ρ
L
；上层固体材料的表面与液体底面的距离为d
e
；上层固体材料与液体间的范德华相互作用的能量参数为ε
u
，距离参数为σ
u
，下层固体材料与液体间的范德华相互作用的能量参数为ε
l
，距离参数为σ
l
；固体材料和液体共同组成润湿系统；ε
u
和σ
u
组成上层固体材料的材料属性，ε
l
和σ
l
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W
a
，将粘附能代入润湿理论公式，从而建立润湿理论数...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶宏飞，尹晨光，李东，宋畅，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：