原子尺度上的表面浸润和灰霾形成

In this project we propose to study the atomic scale surface wetting phenomena, including the interactions and electronic couplings between solid surface and water, silicon, or other materials. We try to clarify a set of "special" wetting phenomena and provide a unified picture from atomistic scale classical or quantum molecular dynamics simulations. We emphasize the special wetting behaviors come from surface-water interactions at the atomic scale, which is different from ordinary macroscopic surface wetting. These fundamental understanding of surface wetting for the ideal, atomistic water-surface contact will help to illustrate the "quantized" nature of water transport through nanoscale pores, and possibly provide better design for water membranes for desalination and decontamination applications. We stride to target on the underlying physical mechanisms for the formation of haze nanoparticles from all-atomic simulations, which may help to relieve this severe environmental challenge in China.

本研究项目计划从表面浸润的原子尺度行为出发，研究表面与水、硅之间的相互作用和量子耦合。试图理解一系列"奇怪的"浸润现象，这些奇怪的浸润现象都来自于界面水在微观小尺度上表现出不同于宏观现象的行为。并尝试使用这些知识进一步研究纳米尺度上水流的"分立"行为，设计新型薄膜以应用于海水淡化和污水处理。并从全原子模拟层次上初步探索灰霾形成的物理化学机制，可能对将来的灰霾消除和治理有启发作用。

本课题紧密围绕原子尺度浸润这一新概念展开研究。发现了一系列不同于宏观浸润的原子尺度浸润现象，比如石墨烯蒸发透明性（2D Mater. 2018）、分子自供应超疏水现象等。发现表面水吸附可反转铁电体极性（Nature Commu. 2018）。分析了原子尺度浸润特征。提出广义Wenzel浸润模型(Nanoscale 2017)。发展了利用原子尺度浸润测量表面极性和表面纳米粗糙度的方法，和定量判别蛋白质亲水性的新方法（PNAS 2016）。发现了新的冰相，比如密度最小的三维冰相（Science Advances 2016）和密度最大的二维冰(PRL 2018)。发现非线性水输运现象（Nano Res. 2019）和质子传输透明薄膜。从原子尺度阐明了硼烯、硅烯的生长行为和性质(Nature Chem. 2016; PRL 2017)。首次给出光解水原子尺度动力学过程，并提出光解水的链式反应模型(ACS Nano 2016; JPCL 2018)。..共发表研究论文三十余篇，综述论文四篇，出版研究专著一本，其中有十篇以上发表在影响因子大于7的国际顶尖期刊上（比如PRL、Nature子刊、Science子刊、PNAS等）。这些结果对于从新视角理解自然界常见的浸润现象、理解冰的结构，提高光解水效率获得清洁能源、发展高效率水膜和水处理材料，生长新型量子材料均有重要意义。