Surface Roughness Explains the Observed Water Contact Angle and Slip Length on 2D Hexagonal Boron Nitride

六方氮化硼 打滑(空气动力学) 材料科学 表面光洁度 表面粗糙度 氮化硼 接触角 六方晶系 复合材料 凝聚态物理 纳米技术 结晶学 化学 热力学 物理 石墨烯
作者
Ashutosh Kumar Verma,Ananth Govind Rajan
出处
期刊:Langmuir [American Chemical Society]
卷期号:38 (30): 9210-9220 被引量:34
标识
DOI:10.1021/acs.langmuir.2c00972
摘要

Hexagonal boron nitride (hBN) is a two-dimensional (2D) material that is currently being explored in a number of applications, such as atomically thin coatings, water desalination, and biological sensors. In many of these applications, the hBN surface comes into intimate contact with water. In this work, we investigate the wetting and frictional behavior of realistic 2D hBN surfaces with atomic-scale defects and roughness. We combine density functional theory calculations of the charge distribution inside hBN with free energy calculations using molecular dynamics simulations of the hBN-water interface. We find that the presence of surface roughness, but not that of vacancy defects, leads to remarkable agreement with the experimentally observed water contact angle of 66° on freshly synthesized, uncontaminated hBN. Not only that, the inclusion of surface roughness predicts with exceptional accuracy the experimental water slip length of ∼1 nm on hBN. Our results underscore the importance of considering realistic models of 2D materials with surface roughness while modeling nanomaterial-water interfaces in molecular simulations.
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