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Water Electric Field Induced Modulation of the Wetting of Hexagonal Boron Nitride: Insights from Multiscale Modeling of Many-Body Polarization

材料科学 六方氮化硼 电场 润湿 极化(电化学) 氮化硼 六方晶系 纳米技术 激发极化 光电子学 工程物理 复合材料 物理 化学 结晶学 石墨烯 工程类 电气工程 物理化学 量子力学 核物理学 电阻率和电导率
作者
Shuang Luo,Rahul Prasanna Misra,Daniel Blankschtein
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (2): 1629-1646 被引量:13
标识
DOI:10.1021/acsnano.3c09811
摘要

Understanding the behavior of water contacting two-dimensional materials, such as hexagonal boron nitride (hBN), is important in practical applications, including seawater desalination and energy harvesting. Water, being a polar solvent, can strongly polarize the hBN surface via the electric fields that it generates. However, there is a lack of molecular-level understanding about the role of polarization effects at the hBN/water interface, including its effect on the wetting properties of water. In this study, we develop a theoretical framework that introduces an all-atomistic polarizable force field to accurately model the interactions of water molecules with hBN surfaces. The force field is then utilized to self-consistently describe the water-induced polarization of hBN using the classical Drude oscillator model, including predicting the hBN–water binding energies which are found to be in excellent agreement with diffusion Monte Carlo (DMC) predictions. By carrying out molecular dynamics (MD) simulations, we demonstrate that the polarizable force field yields a water contact angle on multilayered hBN which is in close agreement with the recent experimentally reported values. Conversely, an implicit modeling of the hBN–water polarization energy utilizing a Lennard–Jones (LJ) potential, a commonly utilized approximation in previous MD simulation studies, leads to a considerably lower water contact angle. This difference in the predicted contact angles is attributed to the significant energy–entropy compensation resulting from the incorporation of polarization effects at the hBN–water interface. Our work highlights the importance of self-consistently modeling the hBN–water polarization energy and offers insights into the wetting-related interfacial phenomena of water on polarizable materials.
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