CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.4. MÔ HÌNH HÓA CÁC TƯƠNG TÁC NƯỚC – GRAPHENE
Các thuộc tính điện tử của graphene tức là chất mang tập trung, di động, sức đề kháng và chức năng làm việc) đã đƣợc tìm thấy là nhạy cảm với các phân tử hấp phụ và các biến thể của điều kiện môi trường. Đặc biệt, nước và các loài khác, được tìm thấy trong không khí xung quanh đƣợc hấp phụ bởi graphene. Tuy nhiên, các tương tác nước graphene kèm theo là rất phụ thuộc về tính ưa nước của bề mặt graphene. Dành cho ví dụ, graphene lớp đơn sạch đƣợc xem x t. Tuy nhiên, ƣa nước là số lớp graphene tăng, graphene trở nên kỵ nước hơn. Vì bản chất 2D của nó, hầu hết trong số các ứng dụng yêu cầu graphene đƣợc đặt trên một chất nền.
Rafiee và cộng sự đã chỉ ra rằng độ ẩm của graphene là trong suốt với các thuộc tính làm ướt của bên dưới chất nền. Tuy nhiên, Shih và cộng sự đã chứng minh rằng graphene chỉ trong suốt một phần để làm ướt tính chất của chất nền bên dưới, trong trường hợp làm ướt độ trong suốt của graphene bị phá vỡ khi nó được đặt trên siêu thấm nước và siêu thấm nước cơ chất. Khi nào chỉ có một vài lớp graphene được quan tâm, sự thay đổi trong nồng độ và công việc vận chuyển địa phương chức năng có thể ảnh hưởng lớn đến tính chất làm ướt của chúng và do đó hấp phụ nước. Vì các lớp graphene các biến thể là phổ biến trên graphene quy mô lớn và nước là chất hấp phụ lưỡng cực dồi dào nhất điều kiện môi trường xung quanh, điều quan trọng là phải điều tra làm thế nào phân tử nước tương tác với các miền lớp khác nhau như cũng nhƣ cách chuyển phí bị chi phối bởi khác nhau chất nền. Cho đến bây giờ,
28
những nỗ lực đáng kể đã đƣợc dành riêng cho cả lý thuyết và thử nghiệm điều tra về nước trên graphitic các bề mặt để làm sáng tỏ sự tương tác graphene nước.
Tính toán lý thuyết chức năng mật độ (DFT) cho thấy mâu thuẫn khi các hệ thống graphene – nước khác nhau được xem xét. Một số nghiên cứu cho thấy nước bị hấp phụ có rất ít ảnh hưởng đến cấu trúc điện tử của graphene nguyên sơ [68], trong khi những nghiên cứu khác chứng minh rằng sự chuyển điện tích khác nhau giữa phân tử H2O và graphene có thể xảy ra đối với các hướng khác nhau của phân tử nước [47-48] . Ngay cả khi vị trí phân tử nước và một số phân tử nước được xem xét, kết quả vẫn thay đổi đáng kể [21], [48]. Sự hình thành của một khoảng cách năng lƣợng theo thứ tự 20-30 meV khi graphene đƣợc bao phủ hoàn toàn với các phân tử nước cũng được dự đoán bởi Ribeiro và cộng sự [58], chứng minh rằng cấu trúc dải của graphene có thể bị thay đổi đáng kể do các phân tử bị hấp phụ.
Leenaerts và cộng sự đã chứng minh rằng sự chuyển điện tích từ graphene sang nước xảy ra khi các nguyên tử H hướng về phía graphene, nhưng sự truyền điện tích bị đảo ngƣợc khi nguyên tử O chỉ vào graphene [47]. Trong một nghiên cứu tiếp theo [48], Leenaerts đã chỉ ra rằng việc truyền điện tích từ một phân tử nước duy nhất sang graphene sẽ có ảnh hưởng không đáng kể đến nồng độ chất mang và do đó điện trở của graphene sẽ không thay đổi đáng kể. Tuy nhiên, trái ngược với một cụm nước, trong đó các khoảnh khắc lưỡng cực nước có một thời điểm lưỡng cực trung bình nhỏ khi xem xét một nồng độ lớn các phân tử nước (hình thành giống như băng), các khoảnh khắc lưỡng cực của các phân tử nước riêng lẻ tích tụ, dẫn đến lớn hơn pha tạp hiệu quả của graphene [48]. Trong một nghiên cứu khác của Freitas và cộng sự [21], những quan sát tương tự đã được thực hiện. Trong các nghiên cứu DFT của họ, người ta đã xác định rằng sự định hướng của các phân tử nước có ảnh hưởng đến cơ chế truyền điện tích. Do đó, đối với các tập hợp nước nhỏ có cấu hình trong đó nguyên tử oxy hướng vào bề mặt, việc chuyển điện tích xảy ra tốt hơn từ nước đến graphene [21]. Tuy nhiên, nghiên cứu tương tự cũng cho thấy đối với các cụm hấp phụ lớn hơn, sự chuyển điện tích xảy ra một cách có hệ thống từ graphene sang nước. Trong một công trình gần đây hơn, Ho và cộng sự đã
29
chứng minh rằng sự định hướng của phân tử nước đối với graphene bên dưới cũng phụ thuộc vào điện tích ban đầu khi đƣợc kiểm soát) của lớp graphene [40]. Khi xem xét graphene tích điện âm, các liên kết -OH chỉ về phía lớp graphene, trong khi hiệu ứng ngược lại được quan sát thấy đối với graphene tích điện dương [40]. Tất nhiên, sự định hướng của phân tử nước đối với lớp graphene sẽ ảnh hưởng đến thời điểm lưỡng cực tổng thể và do đó pha tạp graphene hiệu quả. Ảnh hưởng của định hướng nước đến sự pha tạp trung bình của graphene cũng đã được chứng minh gần đây cả về mặt thực nghiệm và lý thuyết bởi Hong và cộng sự [41].
Hơn nữa, Wehling và cộng sự đã nghiên cứu một kịch bản thực tế hơn, trong đó graphene đƣợc đặt trên đế SiO2 [68]. Trong nghiên cứu này, họ đã chứng minh rằng graphene được đặt trên chất nền bị lỗi (tức là SiO2), có nhiều khả năng bị ảnh hưởng bởi nước và chất nền bên dưới có thể ảnh hưởng mạnh đến tác động của nước lên graphene bằng cách tạo ra các khoảnh khắc lƣỡng cực [68].
Các nghiên cứu lý thuyết gần đây tập trung vào việc mô phỏng hành vi làm ƣớt của graphene. Sử dụng động lực phân tử lƣợng tử QMD, Li và cộng sự tính toán góc tiếp xúc nước graphene (WCA) là 870 [49]. Hơn nữa, Shih và cộng sự đã chứng minh rằng độ trong suốt ướt của graphene đối với chất nền bên dưới chỉ có giá trị trong một số trường hợp nhất định (300 <900), trong khi đó trong các trường hợp chất nền thấm nước và siêu thấm nước, giả định này không còn hiệu lực. Hệ thống phức tạp hơn gần đây đã đƣợc mô phỏng bởi Driskill và cộng sự [18], trong đó WCA graphene được tìm thấy thấp hơn 70, khi một lớp nước được đặt bên dưới graphene, so với nước có mặt trên cùng. Cuối cùng nhưng không k m phần quan trọng, công việc của Song và cộng sự đã chứng minh rằng nước giới hạn giữa hai lớp graphene ở khoảng cách 4,5 nm tặng electron cho graphene, trong khi sự truyền điện tích ngƣợc lại xảy ra khi khoảng cách giữa các lớp graphene giảm xuống còn 4 nm [63]. Hai công trình cuối cùng có tầm quan trọng đáng kể, khi các kịch bản thực tế đƣợc xem x t, trong đó việc truyền graphene đƣợc thực hiện trong điều kiện môi trường xung quanh và lớp nước có khả năng bị mắc kẹt giữa các lớp graphene và chất nền.
30
Mặc dù lý thuyết tính toán mở rộng dự đoán chuyển điện tích và độ ẩm của graphene trong các điều kiện mô phỏng khác nhau, nó đã chỉ ra rằng các mô hình tính toán khác nhau có thể dẫn đến các kết quả khác nhau, chẳng hạn nhƣ năng lƣợng liên kết [42]. Đây là một tham số quan trọng cần xem xét khi tiến hành tính toán mô phỏng. Do đó, việc ghép các kết quả mô phỏng với bằng chứng thực nghiệm và ngƣợc lại là điều cần thiết. Hơn nữa, các cơ chế phức tạp hơn có liên quan so với sự tương tác đơn giản của graphene với phân tử nước, ví dụ như, thông qua tương tác cơ chất nước [68] và gợn sóng và nếp gấp graphene [54].
31