Grafeen is een tweedimensionaal materiaal waarin koolstofatomen zijn gerangschikt in hexagonale structuren, en het heeft unieke fysische en chemische eigenschappen zoals een dikte van minder dan een nanometer, chemische stabiliteit, mechanische flexibiliteit, elektrische en thermische geleidbaarheid, optische transparantie, en selectieve permeabiliteit voor water. Door deze eigenschappen diverse toepassingen van grafeen in transparante elektroden, ontzilting, elektrische energie opslag, en katalysatoren zijn grondig bestudeerd.

Omdat grafeen een extreem dun materiaal is, voor praktisch gebruik, het moet worden afgezet op andere materialen die als ondergrond dienen. Een van de onderzoeksonderwerpen die van groot wetenschappelijk belang is, is hoe grafeen op een substraat in wisselwerking staat met water. Bevochtigbaarheid is het vermogen van het grensvlakwater om contact te houden met een vast oppervlak, en het hangt af van de hydrofobiciteit van het materiaal. In tegenstelling tot de meeste materialen, de bevochtigbaarheid van grafeen varieert afhankelijk van het type substraat. Specifieker, de bevochtigbaarheid van het substraat wordt zwak beïnvloed door de aanwezigheid van een enkele grafeenlaag op het oppervlak. Een dergelijke eigenaardige bevochtigbaarheid van grafeen is beschreven met de term "bevochtigingstransparantie" omdat de bevochtigingseigenschappen aan het grafeen-watergrensvlak weinig effect hebben op de substraat-waterinteractie door het dunne grafeen.

Er zijn talloze watercontacthoekmetingen (WCA) geweest om de bevochtigbaarheid van grafeen op verschillende soorten substraten te bestuderen. WCA is een veelgebruikte methode om de hydrofobiciteit van het materiaal te meten, aangezien de contacthoek tussen de waterdruppel en het materiaal groter wordt naarmate het materiaal hydrofoob wordt. Deze studies hebben laten doorschemeren dat hoewel de bevochtigbaarheid van grafeenmonolaag opmerkelijk transparant is, het grafeen wordt steeds hydrofoob naarmate het aantal lagen toeneemt. Echter, WCA-metingen kunnen alleen informatie geven over de macroscopische eigenschappen van het grafeen-water-interface, en het kan geen gedetailleerd beeld geven van grensvlakwater op het grafeen-watergrensvlak.

Verder, andere technieken zoals Raman-spectroscopie of op reflectie gebaseerde infraroodspectroscopie, die vaak zijn gebruikt voor het meten van microscopische eigenschappen, zijn niet bruikbaar voor het selectief waarnemen van de grensvlakwatermoleculen. Dat komt omdat het vibrationele spectroscopische signaal van grensvlakwatermoleculen volledig wordt gemaskeerd door het enorme signaal van bulkwater. Als resultaat, het is niet geheel verrassend dat er een gebrek is aan studies op moleculair niveau op dit gebied van grafeenonderzoek.

Onlangs, een onderzoeksteam van het Centre for Molecular Spectroscopie and Dynamics (CMSD) binnen het Institute for Basic Science (IBS) in Seoul, Zuid-Korea en de Korea University onthulden de oorsprong van de bevochtigbaarheid van grafeen. Het team slaagde erin de waterstofbindingstructuur van watermoleculen op grafeen-waterinterfaces te observeren met behulp van een techniek die 'vibrational sum-frequency generation spectroscopie (VSFG)' wordt genoemd. VSFG is een niet-lineaire spectroscopie van de tweede orde die kan worden gebruikt om selectief moleculen met gebroken centrosymmetrie te analyseren. Het is een ideale methode om het gedrag en de structuren van watermoleculen aan het grafeeninterface te bestuderen, aangezien de watermoleculen in de bulkvloeistof niet zichtbaar zijn vanwege hun isotrope verdeling van moleculaire oriëntaties.

Het onderzoeksteam observeerde de VSFG-spectra van watermoleculen op een meerlagig grafeen dat een calciumfluoride (CaF ₂ ) substraat. Ze waren in staat om veranderingen in de waterstofbrugstructuur van watermoleculen te volgen. Als er vier of meer lagen grafeen waren, een karakteristieke piek bij ~3, 600 cm-1 begon te verschijnen in de VFSG-spectra. Deze piek komt overeen met de watermoleculen met de bungelende -OH-groepen die geen waterstofbruggen vormen met naburige watermoleculen, wat een kenmerkend kenmerk is dat vaak is gevonden voor water aan het hydrofobe grensvlak. Dit resultaat is de eerste waarneming die de structuur op moleculair niveau van water op het grensvlak water-grafeen laat zien.

In aanvulling, de onderzoekers vergeleken de VSFG-bevochtigbaarheidswaarde die ze konden berekenen uit de gemeten spectra met de geschatte adhesie-energie die gerelateerd is aan de gemeten WCA's. Ze ontdekten dat beide eigenschappen sterk met elkaar gecorreleerd zijn. Deze waarneming suggereert dat de VSFG een scherp instrument zou kunnen zijn voor het bestuderen van de bevochtigbaarheid van tweedimensionale materialen op moleculair niveau. Het toonde ook de mogelijkheid aan om VSFG te gebruiken als alternatief voor het meten van de adhesie-energie van water op begraven oppervlakken, waar het meten van de watercontacthoek moeilijk of zelfs onmogelijk is.

De eerste en tweede auteurs Kim Donghwan en KIM Eunchan Kim merken op:"Deze studie is het eerste geval dat de toenemende hydrofobiciteit van het grafeenoppervlak op moleculair niveau beschrijft, afhankelijk van het aantal grafeenlagen, " en "Trillingsspectroscopie met som-frequentiegeneratie kan worden gebruikt als een veelzijdig hulpmiddel om de eigenschappen van functionele tweedimensionale materialen te begrijpen."

Prof. Cho Minhaeng, de directeur van CMSD, opmerkingen:"Voor toepassingen waarbij grafeen wordt gebruikt in een wateroplossing, de hydrofobiciteit van de interface is een van de belangrijkste factoren bij het bepalen van de efficiëntie van grafeenlagen voor verschillende toepassingen. Dit onderzoek zal naar verwachting wetenschappelijke basiskennis opleveren voor een optimaal ontwerp van op grafeen gebaseerde apparaten in de toekomst."