南京理工大学在二维材料表面功能化研究方面取得新进展

近日，南京理工大学材料科学与工程学院/格莱特纳米科技研究院牛天超教授与纳米异构材料中心李爽副教授合作在纳米领域国际著名期刊《美国化学会-纳米》（ACS Nano，IF13.7）上发表了题为“Imaging and Dynamics of Water Hexamer Confined in Nanopores”的研究论文（论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b04835），硕士生司楠和博士生沈涛为共同第一作者。

水是地球上分布最广泛的一种物质，人们对水的研究涉及到水的分解制氢、水污染治理、生命体中水的形态。从分子尺度上对水的结构以及与其它物质的相互作用的理解仍然是目前水科学研究的重点和难点。同时实现分子尺度的观测和保持水的本征特性对于选择具有原子分辨的扫描隧道显微镜的模型体系显得异常苛刻。蓝磷，黑磷的一种同素异形体，是具有规则六边形结构的二维材料，但在Au(111)表面上外延生长之后，形成了具有长程有序的规则蜂窝状重构，可以将分子、原子局域在纳米孔中，同时，蓝磷较低的态密度利于较长的激发态寿命，从而可实现吸附物动力学的研究。同时较弱的界面相互作用也保持了吸附物质的本征性质。因此研究水分子在蓝磷纳米孔中的结构与动力学行为具有重要意义。

通过分子束外延的方法在Au(111)衬底制备了单层蓝磷，采用密度泛函理论系统揭示了具有争论的蓝磷的原子结构模型。随后，利用高分辨扫描隧道显微镜/谱学手段结合第一性原理计算证实水分子在蓝磷的纳米孔中以六聚体的形成存在。观测到了非弹性电子激发水分子的振动。由于水六聚体和磷原子之间的局部界面电荷重排形成的偶极，通过改变样品偏压，实现了水分子的可逆吸附和脱附。这一结果不仅为进一步研究水的行为提供了一种理想的衬底，更为探索二维材料的表面功能化提供了新的思路。

该工作得到了国家自然科学基金委、江苏省自然科学基金以及中央高校基本科研业务费专项资金的支持。