摘要： 科学家最新研制出全球首个以石墨烯为基础的半导体，这可能为未来开发运算速度更快的电脑和量子计算机奠定技术条件。研究人员在日前发表于《自然》杂志上的文章中称，这种石墨烯半导体晶体管能在太赫兹频率下工作，比当前芯片中使用的硅基晶体管运算速度还要快10倍。

关键词： 氧化石墨烯   氧化碎片   特性表征   吸附   分子动力学模型  

摘要： 氧化石墨烯（GO）的微界面行为是国内外化学、材料学和环境学领域的交叉研究热点之一。GO由含氧量较低的石墨烯表面（FG）和高度氧化的氧化碎片（OD）两部分组成。OD产生于制备GO过程中的氧化过程,通过Hummers法制备的GO中OD所占的质量比约为1/3且GO的大部分官能团均位于OD中,由此可推测,OD在调控GO的微界面行为方面也起到了重要作用。然而,在以往关于GO微界面行为特性的研究中,却忽视了OD的存在,限制了对GO行为特性的科学理解。揭示OD的结构特性及在GO微界面行为特性中的作用,对准确评估GO的水环境风险及建立有效污染防控对策意义重大。本论文结合分子动力学模拟、量子化学计算及实验表征,探明了OD的化学组成、脱落机制及其对GO吸附特性的影响,具体结果如下: 三维荧光光谱分析表明,GO在不同p H下剥离出的OD可分为类蛋白、类富里酸和类腐殖酸三种组分,OD各组分的亲疏水性为:类蛋白>类腐植酸>类富里酸。在p H<10时,主要是类蛋白组分从FG表面脱落,而在p H>10时,脱落的OD组分主要是类富里酸和类腐殖酸组分。结合二维相关红外光谱分析及氢键作用能计算,发现在OD脱落过程中,羧基和羰基的氢键首先断裂,其次是环氧的氢键,随后,π-π相互作用被打破,羟基诱导的氢键作用最难打破。部分脱落的OD会重新吸附到FG的边缘及含氧量较低的区域,增强GO表面的不均匀性。 GO、FG及OD的含氧量分别为33.11%、29.32%和36.76%。GO中的含氧官能团种类包括羧基、羟基及环氧基和羰基。其中,羟基及环氧基和羰基在OD及FG上均检测到,而大部分羧基位于OD上,可见,OD的脱落将对GO的含氧官能团种类产生较大影响。高分辨率透射电镜（HRTEM）结果显示,OD未脱落时,GO表面褶皱较多,OD脱落后,GO表面更加平缓,说明OD的脱落也将改变GO的表面结构。综合化学组成分析及表面特性分析可知,OD的脱落使GO的亲水性和分散性降低,疏水性增强,更易聚集沉降。 吸附动力学及热力学实验表明,OD在GO的吸附特性中起到了重要的作用。对金属离子的吸附实验表明,GO对Pb2+和Ca2+的吸附量分别为2664.1084和218.1734 mg/g,明显大于bw GO对Pb2+和Ca2+的吸附量。这是由于OD含有大量的含氧官能团,拥有更多的离子吸附或交换位点,使其对金属离子有较强的吸附能力。因此,OD的脱落将降低GO对金属离子的吸附能力。对有机污染物的吸附实验表明,GO对苯和双酚S的吸附量分别为91.4902和533.1203 mg/g,明显小于bw GO对苯和双酚S的吸附量。这是由于OD的脱落增强了GO的疏水性、降低了GO表面的电负性,使GO与有机物之间的疏水作用增强、静电斥力减弱;此外,OD的脱落也暴露出GO表面大量的π-π作用位点,进而增强了GO与有机物之间的π-π作用力。 综上,OD的脱落对GO的表面特性及吸附特性影响较大,在研究GO的水环境行为时应充分考虑OD的作用。此外,OD不仅存在于GO中,在碳纳米管、生物炭等碳材料中均广泛存在,因此,本论文的研究成果对于其他碳纳米材料在水中行为特性的研究也具有启发作用。

关键词： 三维材料   石墨烯   异质结构   热导率   分子动力学模拟  

摘要： 以石墨烯为代表的二维碳纳米材料在过去的十几年里得到了广泛的研究应用,并且在诸多方面有着优越的性能,然而在许多实际应用场景下二维石墨烯受限于结构特点难以发挥其特性,在三维尺度上很容易发生材料的堆叠和团聚现象,造成原本二维石墨烯所具有的高吸附、催化位点的优势不复存在。因此对于三维石墨烯结构及性质的探索成为当下一个研究热点。实验制备的三维石墨烯材料显示其结构为三维碳蜂窝状（CHC）,主流的构型有S1、S2、hC28三种,当前开展的研究,一方面缺少对于三维碳蜂窝hC28结构的系统性研究,另一方面对于混合体系碳—氮化硼蜂窝结构（C-BNHC）热力学性能的研究并不完善,此外,也缺少对受力状态下热导率性质的研究。因此本文通过分子动力学模拟方法,选取具有重大研究意义和广泛研究前景的三维碳蜂窝材料（hC28）以及搭建的hC28/BNHC异质结结构C-BNHC模型作为主要研究对象,对其热输运性质进行了深入研究,揭示其内部机理,研究成果如下: 首先,采用分子动力学方法揭示了hC28结构的热输运调控机理,计算验证了其尺寸效应,外推计算显示无限尺寸下hC28结构热导率在51.26 W·m-1·K-1左右,与先前文献报道数值接近,证明本文所选势函数以及理论计算方法合理;此外还探究了hC28结构的温度效应、各向异性以及六边形尺寸效应,结果显示热导率会随着温度的升高而下降,沿蜂窝轴方向热导率约为垂直蜂窝轴方向的十倍,垂直蜂窝轴方向热导率几乎不随六边形尺寸变化而沿蜂窝轴方向会随尺寸增加而提高。 其次,采用分子动力学模拟的方法对比random型、regular型两种不同排列方式的C-BNHC结构,探究了三维h-BN蜂窝单元占比对两种构型热导率的影响规律,研究显示两种构型结构随着占比的升高热导率均呈现先降低后升高的趋势,其中random型搭建方式对hC28结构热传导能力削弱的程度更明显,此外还研究了两种构型热导率的尺寸效应和温度效应。 之后,通过分子动力学模拟方法计算了hC28结构以及random型C-BNHC结构的力学性质以及在承受应力状态下的热输运性质规律。结果显示,力学性能方面,在同尺寸情况下hC28结构zigzag轴方向力学性能优于armchair方向,random型C-BNHC结构的力学性能会受内部三维h-BN蜂窝单元占比的影响;热力学性能方面,当施加压缩应变时,热导率会随着压缩应变的程度增大而明显降低,其中hC28结构在发生10%压缩应变时热导率会降低22.97%,分析认为是由于压缩应变会破坏结构、并在内部造成弯曲和屈曲,这些变化使得结构热传导能力下降;当施加拉伸应变时,模型的热导率随着应变程度的加深均呈现先上升后下降的趋势。 最后,揭示了三维石墨烯结构热输运性质的调控机理,即可以通过调节温度、改变孔径大小、施加外力以及三维h-BN蜂窝单元部分替代的方式实现对其热导率的改变。通过一系列研究,本文对于三维石墨烯结构热输运性质进行了系统性探索,对相关三维碳纳米材料的现实应用具有一定的指导意义。

摘要： 6月3日，2024中关村论坛系列活动——京津冀石墨烯大会在北京市房山区燕山举行。大会由北京市房山区人民政府，北京市经济和信息化局，北京市科委、中关村管委会，北京市投资促进服务中心，北京市科学技术协会共同主办，以“墨绘未来产业、共创烯材时代”为主题，旨在立足房山区产业基础和多元优势，深化京津冀前沿新材料领域协同创新，加快发展新质生产力，为北京推进国际科技创新中心建设提供有力支撑。来自京津冀政府部门、科研院所、重点企业，各省市石墨烯产业（技术）研究院、石墨烯各应用领域产业链的500余名嘉宾齐聚一堂，分享前沿新材料创新成果，共同开辟前沿新材料产业发展新赛道。

关键词： 啶虫脒   荧光偏振   核酸适体   T7核酸外切酶   氧化石墨烯  

摘要： 啶虫脒作为一种农业杀虫剂,可有效地减轻农作物受害虫侵害和病害感染的情况,在农业生产等方面发挥着重要的作用。但是,杀虫剂在农产品生产中的过度使用和滥用将会带来不利的后果,如农药的残留与累积危害问题。目前,杀虫剂对人体健康及对环境带来的负面影响受到社会广泛关注,对农药的实际残留情况开展精准的监测具有重要意义。荧光分析方法因具有操作简单、快速稳定的特点而广受青睐,常被用于生物传感和免疫分析检测等技术领域。荧光偏振作为荧光分析技术的一种信号输出模式,不仅可以用于表征分子间的相互作用,也能够于物质的定量分析。然而,如何实现偏振信号的放大是分析方法构建研究中关键与核心技术之一。石墨烯纳米片具有较大的表面积和良好的稳定性、水溶性与光电性质。在分析方法构建中,不仅可以作为荧光强度信号猝灭剂,还可以作为荧光偏振信号放大的质量元件。核酸适配体是能够与靶标特异性结合的一段人工合成的核酸序列,因为其成本低、稳定性好、易于设计和变化,在分子识别中应用广泛。核酸工具酶能够对特定核酸结构进行识别和消化降解,从而使核酸产生多种变化形式以达到信号放大的目的。本论文旨在实现环境中农药啶虫脒的痕量检测,以构建快速、简便、精准的荧光分析方法为目标开展实验探索。首先,建立了基于核酸适配体识别和氧化石墨烯介导的荧光强度与荧光偏振双信号分析方法用于啶虫脒的定量检测;其次,在前期工作基础上,再结合T7核酸外切酶辅助信号放大构建荧光偏振方法实现啶虫脒的高灵敏检测。具体内容如下: (1)基于氧化石墨烯(GO)的荧光猝灭效应和质量放大效应,建立了一种荧光强度和荧光偏振双信号同时检测方法,用于农药啶虫脒的定量分析。标记有FAM荧光分子的核酸信号探针吸附在GO表面时,检测到较低的荧光强度和较高的偏振信号。当啶虫脒与其适配体结合后,释放的互补核酸探针与信号探针杂交而使其远离石墨烯,此时得到增强的荧光强度和降低的偏振信号。实验考察了不同浓度啶虫脒的荧光强度和偏振信号之间的关系,并对目标物识别时间、氧化石墨烯的浓度和反应时间等条件进行了优化。结果表明:在优化的实验条件下,荧光偏振检测法的线性范围是0.005-50μmol/L,检测限为5 nmol/L,荧光强度的线性范围是0.05-500μmol/L,检测限为50 nmol/L。通过检测限结果的比较,荧光偏振方法的更为灵敏度;而从结果的偏差值分析,荧光强度法更稳定。该方法有望通过双信号的相互校正,使分析结果更准确。同时,基于适配体的高特异性识别能力,该方法显示出较好的选择性,并实现了对金银花、绿茶、芹菜叶、湖水和自来水中啶虫脒的加标回收分析。 (2)通过T7核酸外切酶(T7 Exo)与氧化石墨烯联合的荧光偏振信号放大机制,实现了对啶虫脒的高灵敏测定。在前一章的工作基础上,引入基于核酸工具酶的催化信号放大效应,以进一步提高分析方法的灵敏度。当啶虫脒与其核酸适体特异性结合后,释放的S1核酸链与S2/S3双链的突出单链端杂交,导致S2链的5’端成为凹陷端,并引发T7 Exo对该位置的识别和切割,依次分别释放出S1链和S3链。一方面,S1可以再次与S2/S3杂交进入循环切割,释放更多的S3链;另一方面,S3能够与体系中FAM修饰的信号探针(FAM-DNA)杂交,使FAM-DNA的5’端形成凹陷端也能够被T7 Exo识别切割,释放出游离的FAM荧光团,同时S3被释放并再与FAM-DNA杂交进入下一轮循环。由此,就形成多重“杂交-切割”循环而产生大量的单荧光团。单荧光团无法吸附在GO表面,荧光偏振信号较低。相反,体系中不存在啶虫脒时,S1链与适配体链能够稳定杂交,无法引发多重循环杂交和切割反应,单链信号探针FAM-DNA吸附到GO表面,显示出较高的荧光偏振信号。该方法对啶虫脒分析的线性范围是0.1-500 nmol/L,检测限为0.1 nmol/L,具有较高的灵敏度和良好的选择性。

关键词： 含水离子液体   石墨烯壁面   润湿行为   固液界面  

摘要： 随着社会发展和人口增长,能源与环境问题日益严峻,发展高性能、低成本、生态友好的能源转换和存储设备迫在眉睫。双电层电容器作为一种新型绿色的储能系统,因其功率密度高、充放电快等优势备受关注,但其受到能量密度低的限制仍需要得到更多研究。基于其能量储存机制,研究电解质与电极之间固液界面特性是解决问题的关键所在。本课题采用分子动力学模拟的方法,重点研究了含水离子液体在石墨烯固体壁面的润湿特性和固液结构特性。从分子尺度探究了含水量对不同亲疏水性ILs润湿性能的影响,以及离子液体在带电石墨烯界面处结构的变化,最后,通过添加有机溶剂乙腈(ACN)探究了ACN的加入对固液界面特性的影响。主要研究内容如下: 首先,针对表面电荷密度(ρ)和含水量对石墨烯表面湿润ILs界面微观结构的影响,建立了亲水性含水ILs和带电石墨烯壁面的双电层模型。结果表明,随着ρ的增加,阴离子粒子A在带正电表面积聚增多,形成明显的层状结构。带负电表面上C1和C2粒子数量密度增加,而C3粒子会随ρ增大离表面旋转更远。水分子在带电表面不对称分布,密度峰位置随ρ增大向壁面移动。阳离子基团和水分子的取向分布揭示了它们在界面上的行为。 其次,针对含水ILs液滴在石墨烯壁面的润湿特性研究,分析含水量及ILs的亲疏水性对润湿性的影响。建立了不同亲疏水性的含水ILs在石墨烯壁面上的润湿模型。结果显示,纯ILs在石墨烯壁面上的润湿性较差,而含水的亲水性ILs相对于含水的疏水性ILs具有更好的润湿性。随着含水量的增加,亲水性ILs在石墨烯壁面上的润湿效果更加显著。此外,亲水性ILs形成明显的分层结构,近壁面层内密度较大,而疏水性ILs的分层现象不明显。亲水性ILs与水分子之间形成稳定的氢键联系,而疏水性ILs的水分子之间主要形成氢键。MSD曲线表明,含水量增加会增大离子的扩散系数,提高润湿性能。 最后,对含水离子液滴在添加乙腈(ACN)后在石墨烯壁面上的润湿特性以及含水ILs作为电解质在带电石墨烯壁面的微观结构进行研究,探讨了ACN对含水ILs润湿性能的影响。结果表明,通过分析接触角、密度分布和径向分布函数等,发现ACN比例增加增强了亲水性ILs在石墨烯壁面上的润湿效果。在电解质相互作用方面,研究发现ACN的加入导致阴阳离子在体系内的分布和相互作用发生变化,部分脱溶结构的形成有利于降低体系的浓度和改善性质。同时也影响了阳离子与阴阳离子间及阳离子与ACN间的配位数,改变了体系的溶剂化结构。此外,表面电荷密度也对离子在界面的分布和取向产生重要影响,阳离子更倾向于在负极侧呈平行排列,而不同类型的阴离子表现出不同的排列方式,与离子的体积及对称性有关。

关键词： 数据驱动   时间卷积网络   多层石墨烯   准静态加载   残差网络  

摘要： 材料的本构关系反映了不同材料之间的差异。随着材料科学的发展,通过传统方法获得材料的本构关系,需要花费较长的周期,并且还伴随着人为经验的影响。使用数据驱动方法对材料进行本构建模,可以摆脱人为经验的影响,同时加快新材料的研发流程。 本论文使用时间卷积网络方法,完成对多层石墨烯在准静态过程中的应力预测。在多层石墨烯模型建立方面,使用AB堆垛构建了四层石墨烯和十层石墨烯。在数据生成方面,设置四层石墨烯的正应变范围为[-5%,5%],剪切应变范围为[-3%,3%],设置十层石墨烯的正应变范围为[-15%,15%],剪切应变范围为[-10%,10%],随机生成应变分量,使用分子动力学方法进行准静态分析,构建了四层石墨烯单轴加载数据集,四层石墨烯多轴加载数据集和十层石墨烯多轴加载数据集。在神经网络模型搭建方面,使用的是基于残差连接的时间卷积网络模型。通过训练时间卷积网络模型,预测多层石墨烯的应力响应。本论文的研究结论如下: (1)在正应变范围为[-5%,5%],剪切应变范围为[-3%,3%]的情况下,时间卷积网络模型可以根据应变准确的测到应力。 (2)增加石墨烯的层数为十层,扩大正应变范围为[-15%,15%],剪切应变范围为[-10%,10%]。使石墨烯的应力应变曲线变复杂,此时时间卷积网络可以根据应变预测到应力的变化趋势,而预测不到准确的应力响应。分析原因一是因为数据集太小,二是因为在此应变范围内,十层石墨烯模型的响应变得更加复杂。 (3)通过分析四层石墨烯的数据驱动模型,发现时间卷积网络倾向较小的卷积核和较深的网络层数。

关键词： 多源信息   数据融合   BERTopic   知识演化   Multi-source information   Data fusion   BERTopic   Knowledge evolution  

摘要： [目的/意义]科学技术的发展带动科技文献数量持续增长，探索不同数据源维度下的领域知识演化特征，有助于从数据层面对领域知识发展建立全景化视角。[方法/过程]以美国石墨烯领域的期刊论文、会议论文、基金项目、技术专利为数据源，采用BERTopic主题建模的方法提取领域主题，对不同数据源维度下的领域知识演化进行跟踪，对比不同数据源维度下的知识演化分析效果。[结果/结论]研究发现，基于单一数据源的主题提取结果及其呈现的知识演化脉络各有侧重；基于融合数据源的领域主题呈现领域全景且有助于发现潜在的知识演化模式。