1、石墨烯自组织石墨烯分散液自组织现象 材料科学与工程博士作业报告 目录1 引言 12 实验部分 32.1 试剂 33 结果与讨论 33.1 石墨烯分散液宏观自组织现象 33.2 石墨烯分散液自组织微观结构分析 63.3 具有动态特征的偏振光 113.4 石墨烯自组织现象的可能机理 133.5 石墨烯自组织现象宏观现象的解释 143.6 石墨烯自组织现象应用 144 结论 15参考文献： 161 引言 自组织现象是指自然界中自发形成的有序现象，自发、动态、宏观且时空有序的自组织现象在自然界广泛存在，从微观到宏观范围内以多种尺寸方式表现出来。因此，无论是在科学意义上，还是其实际应用上，对自组织的时空
2、有序结构以及自发、动态过程进行研究都具有重要意义。在自组织研究中，最经典研究案例有Bnard对流体系的图案1、Belousov-Zhabotinsky化学振荡花纹与化学波2-4、激光器中的自激振荡5等，随着对这些体系的深入研究，建立了不同的自组织理论，产生了一门新的学科复杂性科学。 自然界中形成有序结构通常有两种途径：一种是系统在平衡态时，通过降低系统的能量发生相变生成有序的晶体，或通过自身自发地协调作用，使分子排列取向一致，以降低系统的熵而形成有序结构，这是一种微观层次上的静态结构；另一种是在体系开放条件下，系统通过与外部的能量、物质、及信息的交换，使系统远离平衡态，经非平衡态形成的一种宏观
3、、动态有序结构，这种宏观层次上不可逆过程的动态自组织结构，正是七十年代以来吸引众多学者研究的对象，由于其范畴的新颖性和重要的理论价值及其潜在的实际意义，倍加令人瞩目6。在自组织理论问世的七十年代，复杂性研究的对象主要集中在化学反应、扩散系统及激光系统，但随着对自组织认识的深入及研究层次的提高，非线性科学的发展，自组织概念已被逐步扩展和多样化，其中具有重要意义的转变是从物理和化学系统中的自组织研究向地质学、气象学、宇宙学，特别是向生物学及社会系统中的自组织研究拓展6，进而形成一门崭新的学科 复杂性科学7。 有序结构形成的另一表述是自组装，目前自组织与自组装概念的区别还没有定论，经常混合使用，一般
4、物理领域的科学家习惯使用“自组织”概念，而来自化学或材料领域的研究者更喜欢“自组装”一词。通常自组织是体系在没有外部控制情况下形成的自发有序结构，组成单元间无通常的相互作用，形成的结构欠规整，存在形式为动态；而自组装往往通过某些相互作用（分子之间相互识别），而自发形成有序聚集体，结构较为规整，存在形式为静态。不管是自组织还是自组装，都有静态和动态两种形式，目前研究主要集中在静态领域，但从学科发展的规律来看，最大的挑战或机遇显然在动态方面，动态自组装问题是一个近几年才受到重视的前沿问题，但是它却是我们真正面临的挑战性问题7。 到世纪之交，复杂性研究开始走向困惑，复杂性研究何时走出困惑，取得突破？
5、如何突破？目前尚无法预料8。复杂性研究走向困惑的主要原因：一些基础性的问题至今没有弄清，如：复杂性的诞生，复杂性的普遍性，复杂性的动力学基础，复杂现象的随机特征，复杂性的识别等。因此，坚持在基础科学层次上探索复杂性有助于解决复杂性的基础问题。但是，基础科学层次上探索复杂性的研究对象局限于化学反应、扩散系统及激光系统等。化学振荡反应、扩散系统中组成微粒都是在原子、分子层面上，而在介观及宏观微粒尺寸上，无法体现出时空有序的、自发的自组织行为。无法沟通微观世界与宏观世界的联系。虽然，Rayleigh- Bnard对流实验能自组织形成有序图案，但这类流体只被看成产生于流体力学系统中的一种孤立现象。人们
6、还没有悟出这个系统中产生的斑图，对其他系统中形成的斑图有任何启示，也没有看到它们之间的内在联系9。因此，设计并拓展介观及宏观尺寸范围内的自组织体系并调控其构成微粒尺寸，研究这些介观及宏观尺寸范围内自组织体系中分子与微粒及微粒之间的物理及化学性质，以及它们之间相互作用和反应规律，对自组织理论的发展具有重要意义。 在开放体系条件下，自发、动态、宏观且时空有序的自组织现象及其形成的复杂图案是自组织研究的一种基本现象，目前实验与理论工作中，研究较多的典型实例是由温度梯度引起的Rayleigh - Bnard对流体系和由表面张力（液体蒸发）引起的Bnard-Marangoni对流体系10-16。但是这些
7、体系不是自发过程，其动态对流图案的形成需要人工精确地设计和控制。自组织体系是由其组成单元的相互作用来实现的，而这种相互作用复杂，同时，在开放系统中，影响自组织系统的因素较多，通过人工设计与控制很难实现自发的动态自组织现象。尽管，人们在实验室条件下，应用其它外力（如：磁场17、电场18、压力差19和偏振光20等）设计并构建了多种自组织体系，但这些自组织体系的驱动力都来自于外在的作用力，没有解决自然界中自组织现象的自发性问题，特别是自组织现象中宏观现象与微观结构的联系。显然，通过人工设计、构建并有效控制自组织体系来理解自然界中动态、宏观及时空有序的自组织现象，目前还具有很大的难度。因此动态自组织或
8、自组装可能是我们面临的更具魅力的挑战性前沿问题21。 Rayleigh - Bnard对流体系需要温度调控，只有液面上下的温度差达到一定阈值时，自组织才开始运行，而没有温度差，自组织无法运行。这种Rayleigh - Bnard对流自组织体系，至今仍然被看作一个孤立的案例，自其被发现一百多年来，至今未得到应用9。而在石墨烯自组织现象中，我们发现：石墨烯自组织体系不需温度调控，自组织能自发运行，显然这与一般Rayleigh - Bnard对流图案不同。更为关键的是：石墨烯自组织体系具有磁效应，使其具有潜在的应用价值，虽然石墨烯自组织现象与Rayleigh - Bnard自组织现象有很大的差别，但
9、这两种自组织现象之间有没有内在联系？石墨烯自组织体系对其它系统中的自组织现象有何启示或借鉴？要解决这些问题，需要对石墨烯自组织体系进行系统的研究。2 实验部分2.1 试剂 实验所用主要试剂如下表：3 结果与讨论3.1 石墨烯分散液宏观自组织现象 由微晶石墨采用液相剥离方法，在多种有机溶剂（DMF、DMSO、NMP、异丙醇、乙醇和甲醇等）中得到系列石墨烯分散液，当石墨烯分散液(主要由单层和双层石墨烯组成)达到一定浓度时，石墨烯分散液会自发的在液面形成动态的、宏观的、时空有序的图案（类似于Rayleigh - Bnard对流图案），显然，这是一种有趣的自组织现象，这里把这种石墨烯自组织现象命名为石
10、墨烯涌（Graphene Gush）（图3.1a）。这种石墨烯分散液自组织现象能自发地发生，并不停地运动，像涌泉一样不断地冒出。而且该体系在开放条件下，能自发的无限运动下去，形成的图案则不停的变化。运动不需额外动力，也不需其他任何外界条件，体系的运动随着环境温度的升高而加快，即使在较低温度下（0-5）也能进行。在开放条件下，石墨烯自组织体系能自发进行至溶剂完全蒸发。石墨烯自组织体系对外界刺激(如温度，磁场)非常敏感，会做出强烈响应。更为重要的是，当石墨烯自组织体系处于磁场中时，处于磁力线内的石墨烯分散液在外观上变得更黑（图 3.1b、c、d、e 的黑色部位），石墨烯分散液在外观上表现为对可见光
11、的强烈吸收，而处于磁力线边缘区域的石墨烯分散液表现为对光的强烈散射（图 3.1b、c、d、e 的光亮部位）。当石墨烯自组织体系某一局部受热时，石墨烯分散液会沿着受热方向运动，形成云纹图案，图 3.1f 是石墨烯分散液在手指体温驱动下，沿着温度传递方向形成的云纹图案，这是因为手指贴住培养皿时，温度会传递到石墨烯分散液，形成一温度梯度，最终石墨烯分散液沿著温度梯度方向运动而形成云纹图案。这些现象说明石墨烯自组织体系对热与磁场具有响应性。当石墨烯自组织体系处于封闭条件下，与外界没有能量交换情况下，石墨烯自组织现象会失去自组织功能，观察不到石墨烯自组织的宏观现象；而当封闭体系内的石墨烯分散液与外界有能
12、量交换情况下，石墨烯宏观自组织现象又会重新出现，并无限运动起来，形成的宏观、动态、时空有序的图案。 耗散结构理论认为：自组织现象的形成条件是系统处于开放状态，系统的开放不仅是自组织形成的条件，而且是自组织系统在动态中保持稳定并继续发展的前提，自组织系统只有在开放条件下，系统才能与环境不断进行物质、能量和信息交换，以维持自组织现象的运行。同时，自组织现象的发生通常是某种突变过程（非平衡相变）引起的，当系统内每个参量达到一定阈值时，系统会由原来无序状态过渡为在时间和空间上都有序的状态，即系统发生自组织现象22。如：Rayleigh - Bnard 对流图案的形成就是系统处于开放条件下，系统上下的温
13、度差达到一定阈值时，即对流液体上下方需形成一个温度差（图 3.2）。在液体表面就会出现 Rayleigh-Benard 对流图案。在石墨烯自组织体系中，在开放体系中，不与外界发生能量交换条件下，其宏观、动态自组织现象的动力有可能来源于溶剂的蒸发，即其自组织行为是由表面张力（液体蒸发）引起的 Bnard-Marangoni 对流体系。溶剂蒸发时，在分散液表面会形成会张力梯度，同时也会形成一温度梯度。 需要指出的是：与Rayleigh - Bnard对流体系相比，石墨烯自组织体系不仅在开放环境下能形成自组织现象，在封闭体系中，在没有物质交换条件下，通过能量交换，自组织现象同样可以发生。同时，石墨烯
14、自组织现象的发生不需外动力，也无需其它外界条件。而且，石墨烯自组织体系的时空图案的形成与行为可以通过外界环境温度、外加动力、溶剂类型和石墨烯分散液浓度等进行调控。使其图案的形成与行为更加丰富与多样化。 石墨烯涌不仅可以由单层石墨烯分散液形成，由单层和多层石墨烯组成的混合分散液的表面也可以形成动态、宏观、时空有序的自组织图案。由于石墨烯分散液浓度的提高，其图案变得更加清晰、规整（图3.3a），并且其磁效应也变得更明显：处于磁场的磁力线内时，石墨烯分散液表面更黑，而处于磁力线边缘区域的石墨烯分散液白光更突出（图3.3b、c、d）。但是，因为多层石墨烯的存在，石墨烯分散液变得不稳定，多层石墨烯经过一
15、段时间后会逐渐沉淀。 动态、宏观、时空有序的自组织现象只能发生在低沸点的有机溶剂中，这些有机溶剂可以是甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇和苯甲醇或它们的混合溶剂。并且石墨烯分散液的运动速率随着溶剂沸点的升高而减小。在低沸点的丙酮、四氢呋喃、丁酮中，虽然可以观察到动态、宏观的石墨烯自组织现象，但用这些溶剂分散的石墨烯分散液不稳定、容易团聚（稳定时间在1-2小时）。在沸点高于120的溶剂中观察不到自发、宏观的自组织现象发生，但在与外界发生能量交换（如加热或散热）时，可以观察到宏观自组织现象，而在介观范围内，石墨烯分散液内部仍然存在自组织现象，这一结论将用偏光显微镜、激光偏振光检测得到证明。3.2 石墨烯分散
16、液自组织微观结构分析 Rayleigh-Benard对流能自组织形成有序图案，但这类流体只被看成产生于流体力学系统中的一种孤立现象。人们还没有悟出这个系统中产生的图案，对其他系统中形成的图案有任何启示，也没有看到它们之间的内在联系1。石墨烯涌不仅具有动态、宏观、时空有序自组织形象，而且能自发的发生。更为重要的是，石墨烯自组织体系具有磁效应，对石墨烯自组织微观结构的分析有助于理解和认识石墨烯宏观自组织现象。鉴于石墨烯自组织现象及其特征还没有相关文献报道，这里对石墨烯自组织体系的微观结构进行了初步研究，以揭示石墨烯自组织现象的形成原因、动力、机理及规律，认识石墨烯自组织体系的宏观现象与微观粒子的运
17、动之间存在的内在联系及微观与宏观之间的联系与规律。 首先，对其形成的原因进行分析，认为石墨烯分散液自组织现象的形成原因有三种可能：一、石墨烯在磁场作用下，吸收可见光后，其共轭电子处于激发态，当石墨烯片由磁场区域运动（布朗运动）到非磁场区域时，激发态转变为稳态，转变过程中辐射出能量而发光。但考虑到石墨烯共轭电子非常稳定，一般的光（能量低）很难使其变为激发态，这种可能性非常小。二、光子进入处于磁场的石墨烯分散液后，因为石墨烯特殊的电子结构，光子发生局域化，或在石墨烯分散液中发生光波导，使光子不能反射或散射，因此处于磁场内的石墨烯分散液外观上看起来变黑。但激光背散射的结果表明：光子进入处于磁场的石墨
18、烯分散液后，光子未发生局域化，也没有在石墨烯分散液中发生光波导。三、在磁场作用下，石墨烯分散液中的石墨烯片定向排列，形成液晶相，可见光照射到液晶相时，一部分光通过石墨烯分散液（变黑部分）中液晶相转变为偏振光，另一部分发生散射作用（变白部分）。 石墨烯定向排列的结果将会使石墨烯分散液呈现各向异性，而偏光显微镜是观察各向异性的有力工具。因此，我们用偏光显微镜观察了石墨烯分散液，偏光显微镜所观察的结果表明：在石墨烯分散液中出现了运动速率很快的石墨烯液晶流（Liquid crystalline flow LCF）。不同溶剂中的液晶流的结构不同，石墨烯分散液中的液晶流主要以两种液晶相存在：相列型液晶相（
19、Nematic liquid crystalline phase）、胆甾型液晶相（Cholesteric liquid crystalline phase）。用偏光显微镜观察石墨烯分散液时，因为观察的目标是液体，而石墨烯自组织现象具有动态特征，焦距的调节是一难点，因此只有对准焦距后才能观察到液晶流。石墨烯宏观自组织现象对磁场具有敏感的响应，具有磁效应，这里同样给石墨烯分散液施加一磁场，用偏光显微镜观察液晶流对磁场的响应，图3.4是偏光显微镜观察液晶流及施加磁场方向示意图。 图3.5是甲醇石墨烯分散液中液晶流的偏光显微镜图，在没有施加磁场情况下，甲醇中的液晶流呈丝状（图3.5a），当石墨烯分散液
20、受到磁场作用时，石墨烯分散液中的液晶结构会受到影响，其相列型液晶相的丝状结构转变成交织结构（图3.5b），原来直线丝状形变成扭曲丝状结构，说明其结构由丝状相列型液晶相向螺旋状胆甾型液晶相转变的趋势。 图3.6a是异丙醇石墨烯分散液中液晶流偏光显微镜图，在没有施加磁场下，异丙醇中的石墨烯液晶流由丝状结构和螺旋状结构组成，且这两种结构互相转换，同时，异丙醇中的石墨烯液晶流的运动方向比甲醇中液晶流运动方向变化更大。图3.6b是在外加磁场作用下，异丙醇石墨烯分散液中液晶流偏光显微镜图，由图可知，异丙醇中的石墨烯液晶流完全是螺旋结构（Helical structure），这些螺旋结构液晶流互相缠绕在一起
21、；与甲醇中交织结构的液晶流相比，异丙醇中液晶流的螺旋结构更加明显、有序。说明在磁场作用下，液晶流的丝状结构已完全转变为螺旋结构，同时也说明磁场对液晶流的螺旋结构的形成具有重要作用。而石墨烯液晶流的方向也变得有规律，运动方式主要为直线和圆周运动，且两种运动方式互相交替运行。 图3.7a是没有磁场作用下的DMF中石墨烯液晶流偏光显微镜图，由图可以发现：在没有磁场影响下，石墨烯液晶流完全是螺旋结构，其结构清晰可见，螺旋结构之间没有缠绕现象。而在外加磁场存在下，石墨烯液晶流的螺旋结构变得更加规整，螺旋结构直径明显变大。液晶流运动方式仍然为直线和圆周运动。 图3.8a是无磁场作用下的NMP中石墨烯液晶流
22、偏光显微镜图，在没有磁场影响下，NMP中石墨烯液晶流的螺旋结构与DMF中石墨烯液晶流的螺旋结构相似，螺旋结构清晰可见，螺距与螺旋结构直径大小相当。而在外加磁场作用下，螺旋结构直径大小并没有像DMF中液晶流的螺旋结构那样，直径变大（图3.8a），只是螺旋结构的数量有所增加。液晶流运动方式为直线和圆周运动。 因为甲醇、异丙醇、DMF、NMP 的极性与表面张力各不相同，在这些溶剂中制备的石墨烯分散液浓度也不相同，从而使这些溶剂中的石墨烯液晶流结构无法进行比较，我们通过改变异丙醇中石墨烯的浓度，得到了较完美的螺旋结构（图3.9）；此外，石墨烯分散液中的液晶流的运动速率随溶剂的沸点升高而变小，说明石墨烯
23、中的液晶流的结构与运动速率随着石墨烯浓度的改变而改变。因此，石墨烯液晶流的结构与石墨烯的浓度有关，可以通过石墨烯的浓度进行调控。此外，甲醇与异丙醇中的石墨烯液晶流在较低浓度下为丝状结构（相列形液晶相），在较高浓度下是螺旋状结构，而 DMF、NMP 石墨烯分散液中出现的是螺旋状结构，是胆甾型液晶相特征，说明石墨烯液晶流在不同溶剂中的结构也不相同，其原因可能是不同溶剂具有不同的极性与表面张力，石墨烯在自组织时受到不同极性与表面张力作用，使液晶流的结构在不同溶剂中发生了变化。当石墨烯分散液受到磁场作用时，石墨烯分散液中的液晶结构会受到影响。对于石墨烯甲醇分散液，其相列型液晶相的丝状结构变成交织结构，
24、原来直线丝状结构变成扭曲丝状结构，说明其结构由相列型液晶相转变成胆甾型液晶相。而异丙醇中的丝状相列型液晶相完全转变成螺旋状胆甾液型液晶相，但其螺旋结构还不太完美。在对石墨烯分散液施加合适的磁场强度时，其螺旋状结构有可能转变为完美螺旋结构的胆甾型液晶相。与异丙醇中的石墨烯分散液螺旋结构相比，DMF 与 NMP 中的石墨烯液晶流的螺旋直径明显变小，而其螺距变大。同样，DMF 与 NMP 中的石墨烯分散液的螺旋状胆甾型液晶相也受到磁场影响，当给 DMF 与 NMP 中的石墨烯分散液施加一个磁场时，螺旋状会变得更规整，在偏光显微镜视野下也变得更清晰。石墨烯分散液中的液晶流结构随浓度与磁场的变化而变化，
25、说明可以通过改变磁场大小与石墨烯分散液的浓度，实现对石墨烯分散液中的液晶流结构进行调控。 以上实验给石墨烯分散液施加的磁场方向均平行于地球磁场方向，所施加的磁场强度为 30 毫特斯拉（mT）。说明施加的磁场强度很小，但磁场对石墨烯分散液中的液晶流影响却非常大，即石墨烯分散液中的液晶流对磁场的响应非常敏感。地球磁场的平均磁场强度为 0.05 mT，且地磁场无处不在，因此，石墨烯分散液中的液晶流有可能是地磁场引起的自组织现象。3.3 具有动态特征的偏振光 基于石墨烯分散液中形成石墨烯液晶流，穿过石墨烯液晶流的光有可能转变为偏振光，因此，我们用激光偏振光检测装置检测了穿过石墨烯液晶流的光的偏光性，正
26、如我们所期待的，穿过石墨烯液晶流的光变成了偏振光，并且是具有动态特征的偏振光。图 3.10 激光偏振光检测装置光路图图 3.11 激光偏振光检测用的玻璃盒（内装有石墨烯分散液，内径为 1 mm，异丙醇石墨烯分散液，浓度为 0.23 mg/mL） 图 3.10 是激光偏振光检测装置的光路图，激光源为 He-Ne laser (632.8 nm)(HRP050 THORLAB)，穿过激光偏振光检测装置的偏振光光斑用高分辨的CCD(Lasercram-HR COHERENT)收集，偏振棱片为 GLAN 公司生产的偏振棱片。检测时，先将石墨烯分散液注入到 1 mm（内径）封闭的玻璃盒中（如图 3.11
27、），将比色皿的平面垂直于激光，磁场方向也垂直于激光，再用激光偏振光检测装置检测进行检测。CCD 收集的偏振光光斑用 Origin8.0 经 3D Bars 转换为光强度分布图。图 3.12 异丙醇石墨烯分散液(浓度为 0.23 mg/mL)中具有动态特征的偏振光光斑及光强度分布图（3D Bars）a）无磁场作用；b）施加磁场作用（磁场强度为 30 mT）；c）施加磁场作用（磁场强度为 50 mT） 图 3.12 中的下方图是激光穿过石墨烯分散液的激光偏振光检测装置的光斑，上方图是激光偏振光光斑用 Origin8.0 经 3D Bars 转换后的光强度分布图。由 CCD 收集的光斑（图 3.12
28、a）在不停的跳动，说明石墨烯分散液中的液晶相是运动的，同时也证明了石墨烯分散液中形成了液晶流，结果与偏光显微镜观察到的液晶流是一致的。此外，磁场对通过石墨烯分散液的激光强度影响强烈，偏振光强度随着磁场强度的增大而急剧增大。图 3.12b, c 是施加不同磁场强度后所得的结果，由激光强度分布图（3D Bars 上方图）可以发现：在施加的磁场增加很小量时，激光强度显著增加，而光强度的平均分布变宽。说明具有动态特征偏振光的强度可以通过磁场的变化进行调节。这一结果也揭示了在封闭体系中，石墨烯分散液同样发生了自组织现象。不同溶剂的石墨烯分散液都会产生偏振光，其偏振光强度随溶剂的不同而不同。 大气中的空气
29、分子、气溶胶粒子的散射作用以及云层、地表等非金属表面的反射或散射作用，会产生大量偏振光，由于空气分子、气溶胶粒子的散射作用以及云层产生的偏振光通常具有动态特征。大量文献表明：许多动物能够根据天空偏振光的动态属性获得更有用的导航信息，并利用天空偏振光动态特性进行导航。据我们所知，目前还没有关于产生具有动态特征偏振光的偏振片或装置的相关报道，石墨烯分散液产生的这种具有动态特征的偏振光，其强度可以通过石墨烯分散液的溶剂种类、浓度及磁场强度进行调控，有可能在光传输、光反射、光开关和光调制等方面的得到应用，也有可能用于一些特殊光学器件的制造或用于导航信息的研究，其应用也有待进一步挖掘与探索。3.4 石墨
30、烯自组织现象的可能机理 这里提出的石墨烯自组织机理见图 3.13，首先考虑到石墨烯是一种蜂巢状、二维晶体结构，石墨烯平面是由无数共轭苯环连接而成，其苯环上共轭 电子在石墨烯平面上运动。此外，石墨烯在分散液中不断进行布朗运动，当石墨烯片平面垂直于地球磁场(H)运动时，垂直于地球磁场运动的石墨烯片会切割地球磁场的磁力线，这时石墨烯平面会产生环电流（图 3.13a，相当于发动机中金属环切割磁力线，产生电流一样，而石墨烯也是一种优良的半导体，有可能产生环电流）23。环电流的产生将诱导产生一个与地球磁场方向一致的诱导磁场(B)，诱导磁场与地球磁场相互作用，而使石墨烯片定向排列，同时，定向排列的石墨烯片之
31、间的诱导磁场又会相互作用，致使其结构呈螺旋结构、胆甾液型液晶相（图 3.13b）。螺旋状的石墨烯自组织体中的诱导磁场受到地球磁场的作用，使螺旋结构沿着地球磁场方向运动（图 3.13c）。当螺旋状的石墨烯自组织体运动方向与地球磁场的方向发生偏差而互相垂直时，螺旋状的石墨烯自组织体中的石墨烯片会自发的分散开，变回无序状态（图 3.13d）。而无序状态的石墨烯在溶液中进入无序的布朗运动状态，又可能重新进行自组织，形成螺旋状结构液晶流。这样就形成了一个无序自组织有序分散无序的循环过程。图 3.13 石墨烯自组织现象机理（图 b 模型受文献中24模型的启发）3.5 石墨烯自组织现象宏观现象的解释 在对石
32、墨烯宏观自组织现象解释之前，首先介绍一个概念Marangoni 效应，由于温度或浓度的变化引起界面处界面张力变化，产生表面张力梯度，引发界面不稳定性，产生宏观液体流动，称为 Marangoni 效应。Marangoni 效应是意大利物理学家 Marangoni14首先在装有啤酒的玻璃杯壁上发现的，并对液体的流动与界面张力变化进行了较详细的描述。 石墨烯宏观自组织现象可以由液晶流与 Marangoni 效应给予解释：石墨烯液晶流的定向运动引起石墨烯分散液中溶剂分子沿着液晶流运动方向运动，其运动速率加快，因为溶剂分子的运动加快，使其蒸发速率也随之加快，在石墨烯分散液液面会引起温度和浓度变化，产生一个表面张力梯度，表面张力梯度引发石墨烯液面不稳定，而产生宏观液体流动。进而促使在石墨烯分散液液面形成对流图案，结果在低沸点的溶剂中可以观察到自发、宏观、动态的自组织现象，而在高沸点的溶剂中，因为溶剂的粘度较大，分子运动速率慢，溶剂分子蒸发速率慢，在液面上产生的表面张力梯度没有达到临界值（阈值），无法形成宏观对流现象，在高沸点的溶
