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韓國與荷蘭科學家發現一種新型態的雙層冰(bilayer ice)，能形成於氧化石墨烯(graphene oxide)堆疊層之間。研究人員使用原子模型(atomistic model)獲得此結論，而此材料則可望應用於研發石墨烯過濾器和分離器、加強石墨烯催化作用，甚至製作碳基抗腐蝕表面。
雙層冰是一種最近才被發現的新型態冰，僅能形成於非常特殊的條件下，譬如層間距固定的2D堆疊材料內，原因是層與層間的有限空間使一般3D冰晶無法形成。該原子模型由韓國高等科學院(Korea Institute for Advanced Study)的Danil Boukhvalov與荷蘭奈梅根大學(Radboud University Nijmegen)的Mikhail Katsnelson等人所提出，研究結果顯示雙層冰能形成於氧化石墨烯堆疊層之間，這是由於具蜂巢狀晶格的石墨烯與六角形冰晶的晶格常數大約相等。Boukhvalov認為這是非常有趣的研究發現，石墨烯與水之間的束縛力極為微弱，而水的氫鍵強度約大上一個數量級，因此石墨烯扮演基礎的角色，引導水結晶形成雙層冰。
還原石墨烯氧化物(reduced graphene oxide, RGO)的層間距離僅有0.6 nm，只夠形成單層冰；而未還原石墨烯氧化物的層間距有0.9 nm，因此容許發展出第二冰層。在雙層冰中，由於第二冰層水分子的離面(out-of-plane)氫原子會指向第一冰層，使得雙層冰比起一般冰晶較為柔軟有彈性。此外，第二冰層能順著石墨烯的鋸齒線方向在第一冰層上滑動，意味著水能以特殊方式滲透石墨烯氧化層，此現象在過去的研究中已被發現，現在終於獲得理論上的解釋。研究人員還能計算出不同層間距的石墨烯內所能形成的冰層數目。Boukhvalov指出，功能化石墨烯可控制其層間距離，因此他們能輕易調整冰層數目。
此研究結果可望協助研發石墨烯過濾器以及具選擇性的薄膜分離器。摻氮石墨烯及使用金屬基板的石墨烯是許多化學反應的良好催化劑，而石墨烯層間的冰層則能提升其催化性質。含冰層的石墨烯由於容易在材料表面滑動，也能做為高效抗腐蝕表面。此韓荷團隊目前正探討壓力對於此冰層形成的影響，並計畫將研究推廣至其他極性液體。詳見Nano Lett.｜DOI: 10.1021/nl4020292。 |