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僅23天！北京大學(xué)王恩哥院士團隊，先發(fā)Nature，今日又發(fā)Science！

在原子尺度的約束下，低維水的傳輸可以大大增強。然而，它的微觀起源仍存在爭議。

在此，北京大學(xué)江穎副教授，王恩哥教授，劉開輝教授，徐莉梅副教授和香港城市大學(xué)曾曉成教授等人使用基于qPlus的原子力顯微鏡直接成像了石墨烯和六方氮化硼表面上的二維水的原子結(jié)構(gòu)和輸運行為。由于表面靜電學(xué)的不同，水島的晶格與石墨烯表面不相稱，但與氮化硼表面不相稱。隨著島面積的增加，石墨烯上的面積歸一化靜摩擦力減小了~–0.58，表明了超潤滑行為。相比之下，氮化硼上的摩擦似乎對該區(qū)域不敏感。分子動力學(xué)模擬進一步表明，水島對石墨烯的摩擦系數(shù)可以降低到小于0.01。

相關(guān)文章以“Probing structural superlubricity of two-dimensional water transport with atomic resolution”為題發(fā)表在Science上。

值得注意的是，2024年05月22日，北京大學(xué)的田野&徐莉梅&王恩哥&江穎等使用qPlus的原子力顯微鏡發(fā)表重磅Nature，拓展閱讀：

【研究背景】

納米流體器件低維材料中的水輸運最近引起了極大的關(guān)注。關(guān)鍵的興趣在于，當約束幾何形狀的尺寸接近原子尺度（<1 nm）時，水流速會急劇增強，從而導(dǎo)致摩擦幾乎消失（超潤滑性）。這種違反直覺的特性在海水淡化、納濾和能量收集中具有潛在的廣泛應(yīng)用。無摩擦水輸運在單極碳基納米材料中得到了最好的體現(xiàn)，例如零維（0D）納米孔、1D碳納米管和2D通道。有人提出，超潤滑性可能源于一維碳納米管中水的曲率誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)不可比性。然而，這個想法不適用于不存在曲率效應(yīng)的二維石墨烯通道。到目前為止，人們對原子約束下的無摩擦水傳輸?shù)睦斫馊匀浑y以捉摸。

值得注意的是，對于相同結(jié)構(gòu)但異極的六方氮化硼（hBN）材料，存在更大的水摩擦，并且沒有檢測到滑移。研究表明，在原子尺度限制下，石墨毛細管的通量比hBN器件高出近兩個數(shù)量級?？紤]到石墨烯和hBN表面的晶格差為~1.8%，并且產(chǎn)生相似的水滴接觸角，這兩種材料中水輸運的明顯差異遠遠超出了目前的理論預(yù)期，這表明hBN表面的水摩擦僅比石墨烯上的水摩擦大三到五倍。在實驗上，已經(jīng)做出了一些努力來評估水滑長度，但以原子精度直接測量水摩擦和界面水結(jié)構(gòu)仍然是一個很大的挑戰(zhàn)。

【內(nèi)容詳解】

石墨烯和hBN上2D水的生長和高分辨率成像

眾所周知，即使在環(huán)境條件下，原子約束的水也傾向于在結(jié)構(gòu)上有序或形成冰狀結(jié)構(gòu)。鑒于這一事實，作者設(shè)法在疏水性石墨烯和hBN表面上原位生長2D水島，以模擬2D密閉水。利用基于qPlus的原子力顯微鏡（AFM）在6K和超高真空下，作者發(fā)現(xiàn)兩個表面上的二維水具有相同的雙層六角形冰狀結(jié)構(gòu)，這與強烈限制在亞納米間距的疏水片之間的水相似。盡管結(jié)構(gòu)相似，但發(fā)現(xiàn)2D水島與石墨烯和hBN表面具有不同的可比性，導(dǎo)致定性不同的靜摩擦行為（無論是否超潤滑）。這些結(jié)果提供了低維無摩擦水輸運的微觀起源，并強調(diào)了結(jié)構(gòu)超潤滑性對表面靜電的敏感性，這在以前關(guān)于常規(guī)固對固摩擦的研究中是不存在的。

圖1. 石墨烯和hBN襯底上的2D水島的原子結(jié)構(gòu)。

圖1顯示了在Cu(111)負載的單層石墨烯和hBN上生長的2D水島的結(jié)構(gòu)。在石墨烯表面，幾乎所有的水島都以較小的島密度附著在石墨烯-Cu(111)的階梯邊緣上，由于表面缺陷成核，石墨烯上很少存在水島。相比之下，水可以很容易地在hBN表面的階地上形成成核，密度要高得多（圖1B）。這種差異表明，石墨烯上的水擴散比hBN上的水擴散快得多。同時，石墨烯表面的AFM圖像顯示出完美的蜂窩結(jié)構(gòu)，hBN表面的B和N原子表現(xiàn)出不同的力對比。在石墨烯和hBN上生長的2D水島具有相同的高度，由兩個互鎖的扁平六邊形水層組成，每個水分子與平面內(nèi)的最近鄰水分子形成三個氫鍵，與相對平面中的水分子形成一個氫鍵，使得所有氫鍵飽和。

圖2：在石墨烯和hBN表面上的2D水島的邊界結(jié)構(gòu)和晶格配準。

圖3：石墨烯和hBN上2D水島不同構(gòu)型的結(jié)合能。

圖4：石墨烯和hBN上2D水島的靜摩擦行為。

總的來說，2D水島在石墨烯上的靜摩擦主要來自島的邊緣，那里存在大量懸垂的氫鍵。由于晶格的不可比性，島的摩擦幾乎消失了。對于hBN上的2D水，由于晶格可比性，摩擦力主要由水島內(nèi)的大部分水分子主導(dǎo)，邊緣分子僅在小島（面積<12 nm²）。測得的摩擦力（~pN/nm2）對應(yīng)于兆帕范圍內(nèi)的剪切應(yīng)力，這與低摩擦二維材料系統(tǒng)相當。

同時，這項工作不僅為低維水輸運的結(jié)構(gòu)超潤滑性提供了第一個實驗證據(jù)，而且還強調(diào)了其對表面靜電的微妙變化的敏感性。在原子尺度的約束下，水的結(jié)構(gòu)有序和剛度大大增強。在這種情況下，水的輸運與固與固之間的摩擦有關(guān)。此外，發(fā)現(xiàn)可以通過將石墨烯堆疊在hBN上來微調(diào)2D水的可比性，這為通過單極和異極二維材料的層堆疊對水的摩擦和傳輸進行原子精密工程提供了一條新途徑。

【文獻信息】

Da Wu?, Zhengpu Zhao?, Bo Lin?, Yizhi Song?, Jiajie Qi?, Jian Jiang, Zifeng Yuan, Bowei Cheng, Mengze Zhao, Ye Tian, Zhichang Wang, Muhong Wu, Ke Bian, Kai-Hui Liu*, Li-Mei Xu*, Xiao Cheng Zeng*, En-Ge Wang*, Ying Jiang*,?Probing structural superlubricity of two-dimensional water transport with atomic resolution, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado1544

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