近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)自旋磁共振實(shí)驗(yàn)室石發(fā)展教授研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合上海大學(xué)石國(guó)升教授和南京大學(xué)孔熙副教授團(tuán)隊(duì)，在界面吸附層納米尺度表征方面取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)基于金剛石氮-空位色心量子傳感技術(shù)，首次在室溫大氣開(kāi)放環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了金剛石界面納米級(jí)“類冰”水層的定量檢測(cè)，并解析了分子吸附競(jìng)爭(zhēng)行為。相關(guān)研究成果發(fā)表于Physical Review Letters，并被國(guó)際學(xué)術(shù)媒體Phys.org報(bào)道。
圖(a)界面水分層探測(cè)原理示意圖；(b) 基于金剛石氮-空位色心量子傳感及流式樣品腔的界面探測(cè)分析裝置；(c)界面電子懸掛鍵附近氫鍵網(wǎng)絡(luò)的分子動(dòng)力學(xué)模擬
界面的物理化學(xué)環(huán)境是決定低維材料結(jié)構(gòu)、性能和工作效率的重要因素。在室溫大氣條件下，固體表面普遍存在吸附水層和空氣污染物形成的吸附層，這些界面結(jié)構(gòu)會(huì)顯著影響材料表面反應(yīng)、催化效率以及器件穩(wěn)定性。
然而，傳統(tǒng)的表征手段如原子力顯微鏡和光譜技術(shù)，往往會(huì)受到范德華力干擾，并且難以對(duì)吸附層進(jìn)行精確的定量分析。因此，如何在室溫大氣條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)界面吸附層的原子級(jí)精度、非侵入式表征，長(zhǎng)期以來(lái)一直是該領(lǐng)域的重要科學(xué)挑戰(zhàn)。
針對(duì)這一問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)利用金剛石中約7納米深度的氮-空位色心作為量子傳感器，結(jié)合流式樣品腔技術(shù)對(duì)金剛石表面的氣液環(huán)境進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，并對(duì)界面氫核與電子的磁共振信號(hào)進(jìn)行探測(cè)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，研究人員通過(guò)H?O/D?O同位素替換實(shí)現(xiàn)對(duì)吸附層的分層檢測(cè)，同時(shí)結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬分析表面分子的吸附構(gòu)型。該方法實(shí)現(xiàn)了室溫大氣固液界面吸附層的亞納米尺度定量表征，填補(bǔ)了傳統(tǒng)表征技術(shù)的空白。
通過(guò)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與理論分析，研究團(tuán)隊(duì)取得了一系列關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)。首先，研究證實(shí)在室溫大氣條件下，金剛石表面的微觀吸附層并非單一結(jié)構(gòu)，而是由納米級(jí)“類冰”水層與緊密結(jié)合的有機(jī)吸附層共同組成，其中水層呈現(xiàn)出明顯的固態(tài)特征。
其次，研究揭示了類冰水層形成的關(guān)鍵機(jī)制。金剛石表面的懸掛鍵為水分子提供了穩(wěn)定的結(jié)合位點(diǎn)，在其附近形成剛性的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，使水分子擴(kuò)散受到明顯限制，從而呈現(xiàn)出類似固態(tài)冰結(jié)構(gòu)的特征。
研究還首次揭示了有機(jī)分子與水分子在金剛石表面的競(jìng)爭(zhēng)吸附行為。空氣中的有機(jī)分子會(huì)與水分子爭(zhēng)奪懸掛鍵結(jié)合位點(diǎn)，隨著有機(jī)吸附層逐漸累積，金剛石表面的親水性發(fā)生改變，類冰水層的氫鍵網(wǎng)絡(luò)逐漸被破壞，水分子的擴(kuò)散能力增強(qiáng)，其結(jié)構(gòu)也逐漸趨向液態(tài)。
此外，實(shí)驗(yàn)還觀察到金剛石表面的類冰水層與氣相水分子的交換是一個(gè)持續(xù)數(shù)小時(shí)的緩慢過(guò)程。這一現(xiàn)象表明界面吸附結(jié)構(gòu)具有明顯的動(dòng)態(tài)演化特征，也為后續(xù)通過(guò)環(huán)境調(diào)控實(shí)現(xiàn)界面結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)提供了重要參考。
總體來(lái)看，該研究建立了一種基于金剛石氮-空位色心的界面吸附量子傳感分析方法，實(shí)現(xiàn)了在室溫大氣環(huán)境下對(duì)表面吸附層的亞納米精度、非侵入式定量表征，并首次明確了金剛石表面類冰水層的形成機(jī)制及界面分子相互作用規(guī)律。相關(guān)成果有望為催化劑設(shè)計(jì)、低維材料界面調(diào)控以及微機(jī)電系統(tǒng)穩(wěn)定性優(yōu)化等領(lǐng)域提供新的實(shí)驗(yàn)工具和理論依據(jù)。
