科學網—水讓氧化石墨烯「動起來」

氧化石墨烯表面的環氧在水分子參與下動態遷移。黃色為石墨烯碳環，紅色為氧原子，白色為氫原子。塗育松供圖

 

■本報見習記者 池涵

近日，揚州大學物理科學與技術學院教授塗育松課題組與上海大學環境與化學工程學院研究員石國升課題組合作，在《中國物理快報》上發表論文，開展理論結合實驗研究，對氧化石墨烯表面的官能團分布規律及其原因進行了回答。

他們發現，在有水分子吸附時，氧化石墨烯能夠轉變為自適應動態共價材料。水分子充當媒介，可以把氧化石墨烯中氧遷移的能壘降低到與液態水的氫鍵能相似甚至更低的水平。而環氧和羥基官能團在水分子媒介下，可以自發斷開或重組碳氧鍵，實現氧的動態遷移。

環氧「被水扶著踩高蹺」

塗育松介紹，石墨烯是碳原子單層。除少量純石墨烯應用外，實際應用中氧化石墨烯較多，而單層氧化石墨烯的正上下方，分布有兩種官能團環氧和羥基，而在氧化石墨烯邊緣則分布著一些羧基官能團。

「由於這些氧化官能團都是親水的，而石墨烯本身是疏水的，這兩類材料的交錯分布是氧化石墨烯在很多方面都能獲得應用的重要原因。」石國升說。

雖然這種官能團分布很早就為人所知，但以前的觀點認為，該分布是完全隨機的。原理沒有取得突破，導致氧化石墨烯的性質很難琢磨，也給進一步開展相關研究帶來困擾。

科研團隊根據密度泛函理論，計算出在無水情況下，要讓氧化石墨烯表面的環氧和羥基中的碳氧鍵斷開，所需的能量是液態水分子氫鍵能量的5~6倍。然而如果在環境中加入水分子，可以將碳氧鍵斷開的能壘降低到跟水分子氫鍵能相當的水平。

這意味著，水可以很容易地把氧從碳手中搶過來，使氧在常溫下自由移動。

塗育松團隊進一步通過計算分子動力學模擬證實，羥基中的碳氧鍵本來很難斷開，但是如果周圍剛好有一個環氧，羥基就可以將質子（氫離子）轉移到這個環氧上。

或者環氧碰到一個水分子，水分子中的氧可以瞬間連接三個氫，再把一個氫釋放給環氧的一條碳氧鍵，此時的環氧就變成了一個羥基。當後者再把氫離子吐回給水分子後，斷開的氧就會在臨近區域連接一個碳原子，重新形成環氧。

就這樣，環氧的兩條碳氧鍵像一對高蹺，在羥基或者水分子的攙扶下可以連續地移動。

「此前這方面的研究中多把氧化基團看作是孤立的，單個地研究羥基或者環氧。」 塗育松告訴《中國科學報》，「而我們把環氧、羥基和水分子看作是一個整體，在相互協助下發生動態變化的過程。」在計算分子動力學模擬中，常溫常壓下，氧化基團就能自發地動起來。

「這給了我們很大的信心。」塗育松說。

實驗測試遭遇挑戰

研究團隊想了很多辦法用實驗和後續測試觀察相關現象，最終上海同步輻射光源的原位紅外光譜裝置給了他們實現原位探測石墨烯結構的機會。

「同步紅外探測的靈敏度高，也不需要抽真空，可以做。」石國升說道。

為了測試石墨烯氧化基團在水分子吸附下與乾燥環境相比有什麼變化，他們需要將樣品放在一個比較乾燥的環境中，再一點一點地加入水。為此他們專門設計了一個比較窄的匣子放樣品，用氮吹的方式維持匣子裡均勻乾燥，此時氧化基團在石墨烯表面的分布變化非常小。

「僅僅加了一點水，環氧的分布就有了類周期性的振蕩變化。」塗育松說，「這驗證了我們的結果。」

但是同行審稿人的問題接踵而至。

「你的實驗中石墨烯是堆疊在一起的，你怎麼證明環氧的變化是順著單層發生的而不是發生在層間的？」「你所說的這種機理會引起氧化石墨烯的降解嗎？」

對此塗育松等人一一作出解答，他認為，理論可以證明，環氧的層間移動需要跨越更長的距離，意味著更高的能壘。而在有水環境下，層間距變大，能壘也進一步增加了。這說明，氧化基團只能沿著層平面遷移，而不是在層間遷移。

而實驗前後對石墨烯薄膜的稱重和成分分析也證明，不僅重量沒有損失，石墨烯中碳氫氧的比例也沒有發生變化，石墨烯的表面僅僅是氧化基團的位置發生了遷移，並沒有降解發生。

讓石墨烯「動」起來

塗育松認為這項工作最大的意義在於挑戰了以前的理解——氧化石墨烯不是靜態的，而是動態的。氧化位點之間高度關聯，環氧、羥基和水分子三者相互協同，可以實現大面積的氧遷移。

「很多以前無法理解的現象，現在豁然開朗。水作為一種常見的環境變量，對於以後的相關研究也有啟發。」塗育松說。

氧化石墨烯專家、韓國國立蔚山科學技術院多維碳材料中心主任Rodney Ruoff教授曾聯繫塗育松，邀請他去韓國討論他們的模型及用此模型開展相關研究合作問題。在討論中，憑藉多年的經驗，Rouff建議塗育松嘗試研究一下氧化石墨烯表面氧的移動行為。

而此次發現水對氧的移動行為有較大影響不僅僅有理論意義，這種全新的對石墨烯「動態」的理解對應用也非常重要。

此前也有科研人員嘗試設計製作一些動態響應的共價材料及相關系統，但是會涉及到一定的可逆反應，需要較大的壓強、溫度或者pH條件變化，對反應過程的要求很高。

「而氧化石墨烯製作簡單，只要吸附一點水就可以實現常溫常壓下氧在石墨烯表面的大面積遷移變化，以後可以更方便地獲得應用。」石國升說。

比如，由於石墨烯氧化基團可以對環境中吸附的生物分子發生動態的自適應響應，而且不會對生物分子的結構和特徵發生擾動，如果應用到二維生物分子吸附探針方面，可以使得相關傳感器的探測精度更高。

「未來我們想嘗試和別的課題組展開合作，通過一些觀測手段，比如中子反射裝置在看輕元素的動態行為方面有優勢，添加一些單獨設計的裝置，能夠直接看到石墨烯上原子級別的動態變化。」塗育松說。

相關論文信息：https://doi.org/10.1088/0256-307X/37/6/066803

 

《中國科學報》 (2020-07-09 第4版 綜合)