h-BN和石墨烯上的单分子水运动：理解二维材料界面水行为的一个范式转变

理解二维材料上的水行为对于传感、微流控和摩擦学至关重要。虽然水/石墨烯相互作用已被广泛研究，但六方氮化硼（h-BN）上的水仍 largely 未被探索。尽管与石墨烯在结构上相似，h-BN略微极性的B-N键赋予其较大的带隙、高热导率和化学稳定性，使其在电子、润滑剂和涂层领域具有前景。此外，现有水研究往往关注多层水动力学，忽视了单分子层面的细节。我们通过研究h-BN上的单分子水摩擦和扩散，并将其与石墨烯进行比较，弥合了这一空白，使用氦自旋回波实验和从头算计算。我们的发现表明，h-BN/Ni上的水扩散遵循复杂的旋转-平移动力学，与石墨烯不同。虽然传统观点认为水运动是在等效吸附位点之间的离散跳跃，但我们证明在h-BN上水分子围绕其质心自由旋转。尽管h-BN和石墨烯上水的结合能相似，但h-BN上水动力学的活化能是石墨烯的2.5倍低，意味着分子迁移的势垒低得多。经典模型无法捕捉的根本不同的扩散特性，强调了需要重新思考如何在极性二维材料上建模水。此外，我们的分析揭示金属基底强烈影响水摩擦，h-BN/Ni的摩擦显著低于石墨烯/Ni，这与自由-standing材料形成鲜明对比。这些发现挑战了关于二维材料-水相互作用的假设，突出了基底效应在化学和材料科学中的关键作用，并为设计需要精确水迁移率控制的下一代微流控设备提供了见解。