De bevochtigbaarheid van een materiaal is het vermogen van een vloeistof om contact te houden met een vast oppervlak, en het is evenredig met de hydrofiliciteit en omgekeerd evenredig met de hydrofobiciteit. Het is een van de belangrijkste eigenschappen van een vaste stof en het begrijpen van de bevochtigbaarheid van verschillende substraten is essentieel voor verschillende industriële toepassingen, zoals ontzilting, coatingmiddelen en waterelektrolyten.

Studies naar de bevochtigbaarheid van substraten zijn tot nu toe vooral op macroscopisch niveau gemeten. De macroscopische meting van de bevochtigbaarheid wordt typisch bepaald door de watercontacthoek (WCA) te meten, wat de hoek is die een waterdruppel maakt ten opzichte van het oppervlak van het substraat. Het is momenteel echter erg moeilijk om nauwkeurig te meten wat er gebeurt op het grensvlak tussen een substraat en water op moleculair niveau.

Momenteel gebruikte microscopische meettechnieken, zoals op reflectie gebaseerde infraroodspectroscopie of Raman-spectroscopie, zijn niet in staat selectief de grensvlakwatermoleculen waar te nemen. Aangezien het aantal watermoleculen in de gehele bulk van de vloeistof veel groter is dan de moleculen die contact maken met het oppervlak, wordt het signaal van grensvlakwatermoleculen verduisterd door het signaal van watermoleculen in de bulkvloeistof.

Om deze beperking te overwinnen, heeft een onderzoeksteam van het Center for Molecular Spectroscopy and Dynamics (CMSD) binnen het Institute for Basic Science (IBS) in Seoul, Zuid-Korea, en de Korea University onthuld dat vibrationele som-frequentiegeneratie spectroscopie (VSFG) zou kunnen worden gebruikt voor het meten van de bevochtigbaarheid van 2D-materialen. Het team slaagde erin de vibratiemodus van watermoleculen in grensvlakken tussen grafeen en water te meten met behulp van VSFG-spectroscopie.

VSFG is een nuttige techniek die de macroscopische meetresultaten kan verbinden met eigenschappen op moleculair niveau. Het is een oppervlakteselectief hulpmiddel voor het onderzoeken van grensvlakmoleculen met behulp van zijn eigen oppervlakteselectieregel, en het heeft een zeer goede oppervlakteresolutie met een paar moleculaire lagen.

De groep identificeerde het unieke vermogen van grafeen om de bevochtigbaarheid van het substraat op het oppervlak te projecteren, wat 'wetting-transparantie' wordt genoemd. Ze merkten op dat de bevochtigende transparantie van grafeen afneemt naarmate het aantal grafeenlagen toeneemt, en verdwijnt wanneer het grafeen meer dan vier lagen dik is. Dit is de eerste waarneming die beschrijft dat het oppervlak van grafeen hydrofoob wordt boven een bepaald aantal lagen op moleculair niveau.

Ook definieerden de onderzoekers het nieuwe concept van VSFG-bevochtigbaarheid, wat de verhouding is tussen watermoleculen die sterke waterstofbruggen vormen tegen watermoleculen met zwakke of geen vorming van waterstofbruggen. De VSFG-bevochtigbaarheid correleerde sterk met de adhesie-energie, die wordt berekend uit de waargenomen macroscopische WCA-metingen. Dit bewees dat VSFG een effectief hulpmiddel is om de bevochtigbaarheid van het oppervlak van een materiaal te bepalen.

Met behulp van VSFG-bevochtigbaarheid hebben de onderzoekers de bevochtigbaarheid van het grafeen in realtime gemeten, omdat er een elektrisch veld voor werd aangelegd om grafeenoxide te vormen. Het is onmogelijk om de bevochtigbaarheid in realtime waar te nemen met de traditionele WCA-experimenten. Daarom suggereert dit dat VSFG een beslissende techniek zou kunnen zijn voor het meten van de wateradhesie-energie op een ruimtelijk beperkt grensvlak waar de meting van de watercontacthoek niet kan worden toegepast. Naast grafeen wordt verwacht dat VSFG-spectroscopie licht zal werpen op de bevochtigbaarheid van andere laagdimensionale materialen.

Eerste auteur Eunchan Kim merkt op:"Deze studie bevestigde dat VSFG-spectroscopie kan worden gebruikt als een veelzijdig hulpmiddel voor het meten van de bevochtigbaarheid," en "We demonstreren het potentieel om de bevochtigbaarheid van voorheen niet-waarneembare complexe systemen te meten door middel van VSFG-spectroscopie."

Professor CHO Minhaeng, de directeur van CMSD merkt op:"Met VSFG-spectroscopie bestuderen we de microscopische eigenschappen van grafeen evenals andere tweedimensionale functionele materialen zoals grafeenoxide en hexagonaal boornitride," en "Hierdoor zal het worden mogelijk om verschillende problemen op te lossen die de commercialisering van tweedimensionale functionele materialen belemmeren."

Dit onderzoek is gepubliceerd in de online editie van Chem op 26 april. + Verder verkennen

Identificatie van de bevochtigbaarheid van grafeenlagen op moleculair niveau