石墨烯由于拥有优异的电学、力学、热学和化学性质，从而显示出广阔的应用前景，包括制备敏感传感器，电谐共振器，储氢材料等等。然而，这些应用很大地取决于大规模制备高质量的可控的石墨烯单体。到目前为止，已经有多种方法来制备石墨烯材料。在这些方法中，流体相剥离方法显示特殊的优势，它能提高产品的质量，同时还可以对石墨烯纳米材料进行化学改性。但在该方法中，关键性的困难是使层状石墨材料剥离得到的石墨烯纳米粒子能够在流体相中稳定分散。目前，使用合适的纯溶剂和非共价改性石墨烯已经认为是两种普遍的稳定石墨烯分散的方法。　　虽然已经有大量的实验技术研究石墨烯在流体相溶液中的界面结构和相互作用，但是具体的微观性质，例如石墨烯在溶液中的界面结构和界面相互作用之间的联系，表面活性剂在石墨烯表面的自组装结构以及离子诱导的机理还不是很清楚。分子模拟以其独特的优势能够来研究石墨烯在流体相溶液中的界面结构和相互作用力。深刻理解这方面的内容能够帮助指导和改进石墨烯纳米粒子的制备和应用。例如，该研究对于指导和改进石墨烯在溶液中的分散很重要，同时，它将帮助改进以表面活性剂吸附所形成的复合物密度为基础的石墨烯离心分离技术，并且有利于设计新型的石墨烯杂化纳米材料。　　本工作主要进行以下几个方面的研究:纳米大小的石墨烯在超临界流体中的胶体稳定分散和溶剂的界面结构;石墨烯在十二烷基磺酸钠(SDS)水溶液中的界面结构和相互作用以及电解质的引入对其界面性质的影响;表面活性剂吸附石墨烯表面在不同浓度电解质溶液中的自组装形态以及改变石墨烯层数对其聚集形态的影响。获得了如下几个主要结果:　　1.纳米尺寸的石墨烯在超临界流体中的胶体分散稳定对于改进超临界流体稳定和溶解石墨烯的剥离和分散技术是很重要的。我们采用了分子动力学模拟来阐明石墨烯在超临界二氧化碳流体中的稳定机理。我们模拟了超临界二氧化碳流体中的两石墨烯之间的相互作用自由能，研究了流体密度和体系的温度对自由能行为的影响。模拟结果显示，超临界二氧化碳流体中，两石墨烯之间存在一自由能能垒，该能垒可能可以阻止石墨烯的团聚。两石墨烯之间的单层受限二氧化碳分子能够诱导石墨烯产生主要的排斥相互作用。在高的超临界二氧化碳流体密度下，有更多的受限二氧化碳分子存在于石墨烯板之间，导致一更强的排斥自由能能垒。体系的温度对于自由能的影响相对很弱。靠近石墨烯界面区域的超临界二氧化碳溶剂结构显示很好的受限有序性，这与自由能图曲线很好地关联。　　2.通过表面活性剂自组装的非共价改性石墨烯方法在改进石墨烯的分散性能和设计新型的石墨烯杂化纳米材料方面有很重要的应用。我们采用限制分子动力学模拟计算了SDS表面活性剂胶束包裹的两石墨烯之间的相互作用自由能，同时研究了改变表面活性剂覆盖密度和电解质引入所产生的效果。模拟结果表明，吸附的SDS表面活性剂提供一长程的自由能能垒，从而阻止石墨烯的团聚。增加表面活性剂覆盖密度和引入电解质都能导致自由能排斥性能的提高。通过将总自由能分解为各种成分的相互作用贡献，我们揭示了石墨烯在有SDS存在下的水溶液中的精确的相互作用机理。存在的电解质能够诱导SDS再组装，从而影响表面活性剂和石墨烯之间的界面结构和相互作用力，由此导致石墨烯之间排斥相互作用的增强。电解质离子的这个特殊作用为最近实验报导的电解质调节单壁碳纳米管选择性团聚的界面力提供了直接的微观证据和解释。另外，我们对SDS在石墨烯表面的自组装形态进行了仔细的分析，主要是来解释SDS/石墨烯团聚体之间的相互作用。电解质阳离子和表面活性剂之间形成的盐桥被证实是导致SDS/石墨烯自组装结构变化的原因。该工作能让我们更好地理解超分子自组装纳米结构和对应相互作用之间的联系。　　3.表面活性剂分子在石墨烯表面的自组装对于更好地制备和应用石墨烯纳米粒子很重要。我们采用分子动力学模拟来研究阴离子表面活性剂SDS吸附平面石墨烯纳米粒子的自组装结构和形态。主要研究了改变表面活性剂覆盖密度和电解质浓度的效果。对于高表面活性剂密度覆盖，石墨烯表面的SDS团聚形态很大地取决于电解质溶液的离子强度。而当在低密度覆盖体系中，表面活性剂形成了明显的单层结构，且受电解质影响较小。对于这两个不同表面覆盖密度体系，随着离子强度的增强，会有更多的钠补偿离子结合SDS头基，从而减少SDS头基之间的库伦排斥作用，使得SDS团聚结构膨胀且头基之间相距更紧密。另一方面，SDS/石墨烯聚合物的浮力密度会随着电解质离子强度的增加而增加，且低密度覆盖的增长率要大于高表面覆盖。该模拟能更好地理解表面活性剂团聚在石墨烯表面所形成的超分子自组装纳米结构机理，从而能更好地指导石墨烯基础的纳米复合物的构建。　　4.我们采用分子动力学模拟研究了纯水溶液和电解质溶液中SDS在石墨烯表面的自组装结构。考察了改变石墨烯层数对自组装形态的影响。通过加入电解质到水溶液，SDS表面活性剂形成的胶束形态由粗糙的多层转化为半圆柱。在这两种溶液中，SDS自组装形态都很大地取决于石墨烯的层数。增加石墨烯层数能够提高表面活性剂向溶液中的伸展度。另一方面，SDS/石墨烯聚合物的浮力密度会随着石墨烯层数的增加而单调增加。更重要的是，我们的工作复杂地解释了石墨烯外围水分子质量密度和电荷密度的紧密联系。