Vätbarhet av ett material är förmågan hos en vätska att hålla kontakt med en fast yta, och den är proportionell mot hydrofilicitet och omvänt proportionell mot hydrofobicitet. Det är en av de viktigaste egenskaperna hos ett fast ämne, och att förstå vätbarheten hos olika substrat är avgörande för olika industriella användningar, såsom avsaltning, beläggningsmedel och vattenelektrolyter.

Hittills har studier av substrats vätbarhet huvudsakligen mätts på makroskopisk nivå. Den makroskopiska mätningen av vätbarhet bestäms vanligtvis genom att mäta vattenkontaktvinkeln (WCA), vilket är vinkeln en vattendroppe gör med avseende på ytan av substratet. Men det är för närvarande mycket svårt att exakt mäta vad som händer i gränsytan mellan ett substrat och vatten på molekylär nivå.

För närvarande använda mikroskopiska mättekniker, såsom reflektionsbaserad infraröd spektroskopi eller Raman-spektroskopi, är oförmögna att selektivt observera gränsytans vattenmolekyler. Eftersom antalet vattenmolekyler i hela huvuddelen av vätskan är mycket större än de molekyler som kommer i kontakt med ytan, döljs signalen från gränssnittsvattenmolekyler av signalen från vattenmolekyler i bulkvätskan.

För att övervinna denna begränsning avslöjade ett forskarlag vid Center for Molecular Spectroscopy and Dynamics (CMSD) inom Institute for Basic Science (IBS) i Seoul, Sydkorea, och Korea University att vibrationssum-frekvensgenereringsspektroskopi (VSFG) kunde användas för att mäta vätbarheten hos 2D-material. Teamet lyckades mäta vibrationsläget för vattenmolekyler i gränssnittet mellan grafen och vatten med hjälp av VSFG-spektroskopi.

VSFG är en användbar teknik som kan koppla samman de makroskopiska mätresultaten med egenskaper på molekylär nivå. Det är ett ytselektivt verktyg för att undersöka gränssnittsmolekyler med hjälp av sin egen ytselektionsregel, och den har en mycket bra ytupplösning med ett fåtal molekylära lager.

Gruppen identifierade den unika förmågan hos grafen att projicera substratets vätbarhet på dess yta, vilket kallas "vätningstransparens". De observerade att vätningsgenomskinligheten hos grafen minskar när antalet grafenlager ökade och försvinner när grafenet är mer än fyra lager tjockt. Detta är den första observationen som beskriver att grafenytan blir hydrofob över ett visst antal lager på molekylär nivå.

Forskarna definierade också det nya konceptet med VSFG-vätbarhet, vilket är förhållandet mellan vattenmolekyler som bildar starka vätebindningar mot vattenmolekyler med svag eller ingen vätebindningsbildning. VSFG-vätbarheten korrelerade starkt med adhesionsenergin, som beräknas från de observerade makroskopiska WCA-mätningarna. Detta bevisade att VSFG är ett effektivt verktyg för att definiera vätbarheten på ett materials yta.

Med hjälp av VSFG-vätbarhet mätte forskarna vätbarheten av grafen i realtid, eftersom ett elektriskt fält applicerades för att det skulle bilda grafenoxid. Det är omöjligt att observera vätbarhet i realtid med de traditionella WCA-experimenten. Därför tyder detta på att VSFG skulle kunna vara en avgörande teknik för att mäta vattenvidhäftningsenergin på alla rumsligt begränsade gränssnitt där mätningen av vattenkontaktvinkeln inte kan tillämpas. Förutom grafen förväntas VSFG-spektroskopi belysa vätbarheten hos andra lågdimensionella material.

Första författaren Eunchan Kim noterar:"Denna studie bekräftade att VSFG-spektroskopi kunde användas som ett mångsidigt verktyg för att mäta vätbarheten," och "Vi visar potentialen att mäta vätbarheten hos tidigare oobserverbara komplexa system genom VSFG-spektroskopi."

Professor CHO Minhaeng, direktören för CMSD noterar:"Med VSFG-spektroskopi studerar vi de mikroskopiska egenskaperna hos grafen såväl som andra tvådimensionella funktionella material som grafenoxid och hexagonal bornitrid," och "Genom detta kommer det att bli möjligt att lösa olika problem som hindrar kommersialiseringen av tvådimensionella funktionella material."

Denna forskning publicerades i onlineupplagan av Chem den 26 april. + Utforska vidare

Identifiering av vätbarheten hos grafenskikt på molekylär nivå