近日，水利土木工程学院尹航团队在表面科学领域国际知名期刊《Applied Surface Science》发表题为“Dual Role of Graphene Layering and Curvature in Anti-freezing Performance of Cementitious Composites: A Molecular Dynamics Study”的研究论文。2023级硕士研究生祁玉磊为论文第一作者，尹航副教授为论文通讯作者，山东农业大学为第一通讯单位。

论文的主要工作在于通过分子动力学模拟，深入探究了石墨烯形态对抗冻性能的双重调控机制。研究团队构建了不同层数和不同曲率的石墨烯/C-S-H复合界面模型。为了准确描述低温下复杂的界面相互作用，研究采用了ClayFF、CVFF和TIP4P/ICE的组合力场。通过LAMMPS软件进行模拟，并结合OVITO和VMD可视化技术，对水分子的结构分布（原子密度、径向分布函数、氢键网络）和动态特性（均方位移、扩散系数）进行了系统分析。

 图1 冻结快照及冻结水分子数量随时间演化情况

研究结果表明，石墨烯的引入从根本上改变了界面环境，使其从C-S-H表面的强吸附、低迁移率状态转变为相互作用较弱、高迁移率状态，从而在动力学上抑制冰的形成。具体而言，增加石墨烯层数会增强水分子间的排斥力，使界面水分子取向趋于一致，显著提高水分子的扩散系数，从而增强抗冻效果。然而，石墨烯曲率的增加则起到了相反的作用：弯曲的表面导致水分子偶极取向无序化，削弱了分子间排斥力并降低了流动性，引入的局部约束效应反而促进了冰核的成核与生长。该研究成果成功解释了实验中石墨烯聚集（层数增加）与形态弯曲对材料性能产生的不同影响，为优化石墨烯水泥复合材料的抗冻设计提供了重要的理论依据。

本研究得到了山东省自然科学基金的资助，计算工作由山东农业大学高性能计算中心提供技术支持。

 论文链接：https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2025.165411

图表 1a和b分别展示了不同石墨烯层和曲率的复合系统中未冻结水膜中氧-氧的RDF。c和d分别显示了不同石墨烯层和曲率的复合系统中碳与氧之间的RDF。对于多层石墨烯复合系统，统计基于最接近水分子的石墨烯层作为参考原子。

图表 2a不同系统水层的定义，其中Si-O链作为C-S-H系统的零参考平面，石墨烯作为石墨烯添加系统的零参考平面。b定义水分子偶极矩与表面法线之间的夹角。c和d分别展示了复合系统中不同水层中水分子偶极角余弦的分布。

图表 3a在不同石墨烯层数的系统中，水分子在0参考平面不同距离处的扩散系数。b不同石墨烯层数系统中未冻结水层的扩散系数。c不同曲率石墨烯系统中不同位置水分子的扩散系数。d不同石墨烯曲率系统中未冻结水层的扩散系数。