東(dong) 京科學大學的最新研究揭示了石墨烯表麵的水分子會(hui) 有哪些行為(wei) 。由山本孝宏教授領導的這項研究將統計數據分析工具與(yu) 分子動力學模擬相結合，以探索與(yu) 碳基材料接觸時水的結構變化，這表明水和石墨烯之間的相互作用，進一步研究3D打印材料的可能性。山本孝宏教授對3D打印行業(ye) 說：“在3D打印機中，了解和控製材料表麵的潤濕對於(yu) 堆疊層的過程至關(guan) 重要。潤濕是由吸附在表麵的水的微觀結構決(jue) 定的。但是，尚未確定該方法。本研究提出了一種基於(yu) 數據科學方法的潛在方法。預計該開發的方法不僅(jin) 將應用於(yu) 石墨表麵，而且還將應用於(yu) 各種材料表麵。”

這一研究的結果發表在《日本應用物理學雜誌》上，預計將對海洋和飛機工程產(chan) 生重大影響，並對植入手術有益。水動力學的重要性時水是一種非常普遍的物質，幾乎可以在地球上的每個(ge) 環境中自然發現。前幾層水的特性（稱為(wei) 地表水）在材料科學中尤為(wei) 重要，因為(wei) 它們(men) 決(jue) 定了水相對於(yu) 接觸材料表麵的流動方式。了解這種水的行為(wei) 方式以及為(wei) 什麽(me) 會(hui) 如此行為(wei) 將使材料科學家能夠開發出疏水性或親(qin) 水性材料，甚至可能改變現有材料的特性。

減少船舶表麵的水摩擦會(hui) 提高燃油效率，或者在低於(yu) 零的環境中飛行時，開發用於(yu) 飛機的耐冰材料可能會(hui) 引入新的安全措施。水分子和石墨烯本研究的重點是水和石墨烯之間的相互作用，石墨烯是一種原子平坦的材料。當研究水的相互作用特性的基礎時，這使石墨烯成為(wei) 理想的接觸材料。山本孝宏教授解釋說：“石墨烯等碳納米材料上的表麵水備受關(guan) 注，因為(wei) 這些材料的性質使其非常適合研究地表水的微觀結構。”

石墨烯的結構

先前的研究已經確定，與(yu) 石墨烯接觸的水會(hui) 在表麵水和自由水中形成穩定的2D形狀，這些水會(hui) 遠離接觸材料的表麵。但是，以前尚未確定地表水和遊離水之間的差異。這兩(liang) 組之間的過渡區特別難以描述，這是日本研究旨在實現的目標。由於(yu) 研究的複雜性，必須將多種表征方法相互結合使用。持久同源性（PH）是一種來自數據科學的方法，與(yu) 分子動力學模擬相結合。 PH可以用於(yu) 材料科學中，以在混沌流體(ti) 中找到穩定的3D結構。山本教授說：“我們(men) 的研究代表首次將PH用於(yu) 水分子的結構分析。”當將單層水分子置於(yu) 石墨烯表麵時，水分子排列成通過氫鍵連接的二維結構，平行於(yu) 石墨烯表麵。第二層使該結構成為(wei) 3D單向的，形成四麵體(ti) 網絡，“向下”指向石墨烯的表麵。第三層保持四麵體(ti) 3D結構，但使其全向，其中四麵體(ti) 指向所有方向。第三層之後的任何後續層的定位方式都與(yu) 第三層相同，這表明這是地表水結束而自由水開始的地方。

石墨烯與(yu) 水

山本教授指出：“這些結果證實了地表水和自由水之間的交換僅(jin) 發生在三層水內(nei) 。”這項研究的標題為(wei) “使用數據科學在石墨烯上發現地表水中的新微觀結構”，並於(yu) 2020年1月14日發表在《日本應用物理學雜誌》上。該研究由加藤浩一郎，前川幸樹，渡邊直樹，岡(gang) 賢二和山本孝宏。 3D打印意味著什麽(me) ？盡管石墨烯是一個(ge) 相對簡單的表麵，而其他更逼真的表麵必然具有更複雜的水相互作用，但這項研究驗證了用於(yu) 表征的新方法的有效性。

由於(yu) 該技術還處於(yu) 起步階段，尚未對此深度進行3D打印表麵特性研究，山本教授希望這種方法能夠在未來幾年內(nei) 幫助表征與(yu) 水接觸的3D打印表麵。也許該方法可以應用於(yu) 加利福尼亞(ya) 開發的3D打印石墨烯結構，以確定使用完全不同的技術生產(chan) 的石墨烯的差異。在瑞典的其他地方，已經開發了3D可打印的石墨烯長絲(si) ，這暗示了碳基超材料在增材製造中的光明前景。