東京科學大學的最新研究揭示了石墨烯表面的水分子會有哪些行為。由山本孝宏教授領(lǐng)導的這項研究將統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析工具與分子動力學模擬相結(jié)合，以探索與碳基材料接觸時水的結(jié)構(gòu)變化，這表明水和石墨烯之間的相互作用，進一步研究3D打印材料的可能性。山本孝宏教授對3D打印行業(yè)說：“在3D打印機中，了解和控制材料表面的潤濕對于堆疊層的過程至關(guān)重要。潤濕是由吸附在表面的水的微觀結(jié)構(gòu)決定的。但是，尚未確定該方法。本研究提出了一種基于數(shù)據(jù)科學方法的潛在方法。預計該開發(fā)的方法不僅將應(yīng)用于石墨表面，而且還將應(yīng)用于各種材料表面。”

這一研究的結(jié)果發(fā)表在《日本應(yīng)用物理學雜志》上，預計將對海洋和飛機工程產(chǎn)生重大影響，并對植入手術(shù)有益。水動力學的重要性時水是一種非常普遍的物質(zhì)，幾乎可以在地球上的每個環(huán)境中自然發(fā)現(xiàn)。前幾層水的特性（稱為地表水）在材料科學中尤為重要，因為它們決定了水相對于接觸材料表面的流動方式。了解這種水的行為方式以及為什么會如此行為將使材料科學家能夠開發(fā)出疏水性或親水性材料，甚至可能改變現(xiàn)有材料的特性。

減少船舶表面的水摩擦會提高燃油效率，或者在低于零的環(huán)境中飛行時，開發(fā)用于飛機的耐冰材料可能會引入新的安全措施。水分子和石墨烯本研究的重點是水和石墨烯之間的相互作用，石墨烯是一種原子平坦的材料。當研究水的相互作用特性的基礎(chǔ)時，這使石墨烯成為理想的接觸材料。山本孝宏教授解釋說：“石墨烯等碳納米材料上的表面水備受關(guān)注，因為這些材料的性質(zhì)使其非常適合研究地表水的微觀結(jié)構(gòu)。”


先前的研究已經(jīng)確定，與石墨烯接觸的水會在表面水和自由水中形成穩(wěn)定的2D形狀，這些水會遠離接觸材料的表面。但是，以前尚未確定地表水和游離水之間的差異。這兩組之間的過渡區(qū)特別難以描述，這是日本研究旨在實現(xiàn)的目標。由于研究的復雜性，必須將多種表征方法相互結(jié)合使用。持久同源性（PH）是一種來自數(shù)據(jù)科學的方法，與分子動力學模擬相結(jié)合。 PH可以用于材料科學中，以在混沌流體中找到穩(wěn)定的3D結(jié)構(gòu)。山本教授說：“我們的研究代表首次將PH用于水分子的結(jié)構(gòu)分析。”當將單層水分子置于石墨烯表面時，水分子排列成通過氫鍵連接的二維結(jié)構(gòu)，平行于石墨烯表面。第二層使該結(jié)構(gòu)成為3D單向的，形成四面體網(wǎng)絡(luò)，“向下”指向石墨烯的表面。第三層保持四面體3D結(jié)構(gòu)，但使其全向，其中四面體指向所有方向。第三層之后的任何后續(xù)層的定位方式都與第三層相同，這表明這是地表水結(jié)束而自由水開始的地方。


山本教授指出：“這些結(jié)果證實了地表水和自由水之間的交換僅發(fā)生在三層水內(nèi)?！边@項研究的標題為“使用數(shù)據(jù)科學在石墨烯上發(fā)現(xiàn)地表水中的新微觀結(jié)構(gòu)”，并于2020年1月14日發(fā)表在《日本應(yīng)用物理學雜志》上。該研究由加藤浩一郎，前川幸樹，渡邊直樹，岡賢二和山本孝宏。 3D打印意味著什么？盡管石墨烯是一個相對簡單的表面，而其他更逼真的表面必然具有更復雜的水相互作用，但這項研究驗證了用于表征的新方法的有效性。

由于該技術(shù)還處于起步階段，尚未對此深度進行3D打印表面特性研究，山本教授希望這種方法能夠在未來幾年內(nèi)幫助表征與水接觸的3D打印表面。也許該方法可以應(yīng)用于加利福尼亞開發(fā)的3D打印石墨烯結(jié)構(gòu)，以確定使用完全不同的技術(shù)生產(chǎn)的石墨烯的差異。在瑞典的其他地方，已經(jīng)開發(fā)了3D可打印的石墨烯長絲，這暗示了碳基超材料在增材制造中的光明前景。