機械学習によりグラフェンの疎水性を証明(Machine Learning Proves that Graphene is Hydrophobic)

2026-05-12 韓国基礎科学研究院(IBS)

韓国・基礎科学研究院(IBS)と高麗大学の研究チームは、「グラフェンは水をはじくのか、それとも引き寄せるのか」という長年の論争に決着をつけた。研究成果は2026年4月にNature Communicationsへ掲載された。グラフェンは原子1層の炭素材料で、高強度・高導電性を持つ次世代材料として注目されているが、水との相互作用については実験結果が一致していなかった。研究チームは、機械学習を用いた高精度シミュレーションを実施し、グラフェン本来の性質は「疎水性(水をはじく)」であることを明らかにした。一方、単層グラフェンでは、基板との隙間に水分子が入り込む「水インターカレーション」が起こりやすく、この隠れた水層が測定信号を変化させるため、親水性に見えていたことが分かった。多層化すると水が内部に入り込みにくくなり、疎水性がより明確になる。研究は、海水淡水化膜、水素燃料電池、ナノ流体デバイスなど、グラフェン利用技術の設計に重要な知見を与えるとともに、機械学習と量子化学計算を組み合わせた新しい材料解析手法の有効性を示した。

機械学習によりグラフェンの疎水性を証明(Machine Learning Proves that Graphene is Hydrophobic)
Figure 1. a) This bar chart shows the “energy cost” for a single water molecule to sneak underneath graphene.

<関連情報>

機械学習を用いたシミュレーションでは、グラフェンは疎水性であり、微視的に濡れない透明であると予測される Machine-learning enhanced simulations predict graphene is hydrophobic and microscopically not wetting transparent

Dianwei Hou,Yevhen Horbatenko,Stefan Ringe & Minhaeng Cho
Nature Communications  Published:02 April 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-71053-3  Unedited version

Abstract

The interaction between graphene and water is fundamental to applications ranging from filtration to nano-electronics, yet the intrinsic wettability of graphene remains a subject of longstanding debate. In particular, it is disputed whether graphene is wetting transparent—transmitting the wettability of an underlying substrate to the surface. Here, we show using machine-learning enhanced molecular dynamics simulations that pristine graphene is intrinsically hydrophobic and microscopically not wetting transparent. By simulating vibrational sum-frequency generation spectra, we demonstrate that the apparent hydrophilic signatures often observed for monolayer graphene on hydrophilic substrates originate not from wetting transparency, but from signal cancellation caused by water molecules intercalated between the graphene and the substrate. Furthermore, we find that while water intercalation is thermodynamically favorable for monolayers, it becomes unfavorable for multilayer graphene, explaining experimentally observed thickness-dependent wetting behaviors. These findings provide a unified microscopic framework for understanding graphene-water interactions and clarify the crucial role of confined water in two-dimensional material interfaces.

0501セラミックス及び無機化学製品
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