Van der Waals作用力对水在石墨烯表面吸附的影响

由于潜在应用背景和重要学术价值，水与石墨类材料的相互作用吸引了人们广泛兴趣。这种相互作用与很多物理现象（如浸润性质、水对低维碳材料电输运性质的影响、碳纳米管在生物媒介中的功能等）有密切的关系。 基于经验势的分子动力学模拟发现，水分子吸附能的大小对碳纳米管内填充水影响很大。 与此类似，石墨亲或疏水性也由单个水分子的吸附能决定。 尽管这种相互作用如此重要，人们对于它的了解却很不够，即使是单个水分子在单层石墨表面的吸附能量和吸附结构目前在理论或实验上都没有确定。 这是由于水与石墨的相互作用主要是van der Waals作用，而这种非局域的长程相互作用强度很弱，实验上很难测量。此外，现有的密度泛函理论也不能正确描述这种相互作用。本项目将利用第一性原理计算方法，研究水与石墨的相互作用，并通过经验或半经验的修正，发展能够在密度泛函基础上定量描述van der Waals作用的一般方法。

本项目围绕水在石墨烯等材料表面的吸附等引起人们广泛兴趣的关键问题，利用第一性原理计算工具，发展了密度泛函理论基础上定量描述van der Waals作用的一般方法，取得了一系列重要成果。一方面，我们系统而深入地研究了水和石墨烯之间的相互作用。我们考虑了通常被忽视的范德华力和氢键引起的修正，利用扩散蒙特卡罗(DMC)方法和无规相近似(RPA)方法，突破了传统密度泛函理论的局限，证明了在水/石墨烯体系中考虑Van der Waals作用力的重要性，得出了小于100meV的吸附能，并预言在低温下水分子能在石墨烯表面超快扩散。我们还从考虑Van der Waals作用力的密度泛函理论出发，研究了水与金属基底上的石墨烯（metal-supported graphene）之间的相互作用，结果展示不同的金属基底能够使水和石墨烯之间的相互作用出现不同程度的增强，调控水分子的放置和选择不同的金属基底能够得到电子或空穴掺杂的石墨烯。另一方面，我们在冰表面吸附研究中取得了一系列重要突破。在以往提出的冰表面序参量的基础上，我们构造了被认为是最接近冰的平衡晶形,进行了经验势的分子动力学研究，并分析了van de Waals作用的影响。我们发现冰表面有效电荷所引起的局域电场直接影响着表面层水分子的电偶极矩及Van der Waals作用力，进而使得冰表面分子空位形成能随序参量的变化分布的非常宽，这表明冰表面上的空位数比之前人们估计的要多得多，从而使冰晶颗粒在物理化学反应中比原来预计的要更加活泼。最近我们又证明冰表面的吸附不仅仅取决于冰表面最近邻OH悬挂键，也与整个冰表面悬挂的OH键的相关；同时冰表面的吸附能与序参量之间有一个正比关系，这预示着分子吸附更容易发生在序参量大的冰表面。