(слева) Спектры VSFG межфазной воды показывают, что оборванный пик OH (3600 см-1) появляется, когда графен имеет толщину более 4 слоев. (справа) Расчетная смачиваемость VSFG построена в зависимости от энергии адгезии из макроскопических наблюдений. Оба значения близко совпадают, что указывает на увеличение гидрофобности по мере увеличения количества слоев графена. Предоставлено: Институт фундаментальных наук.

До сих пор исследования смачиваемости субстратов в основном проводились на макроскопическом уровне. Макроскопическое измерение смачиваемости обычно определяется путем измерения угла контакта с водой (WCA), который представляет собой угол, который образует капля воды по отношению к поверхности подложки. Однако в настоящее время очень сложно точно измерить, что происходит на границе раздела субстрат-вода на молекулярном уровне.

Используемые в настоящее время методы микроскопических измерений, такие как инфракрасная спектроскопия на основе отражения или спектроскопия комбинационного рассеяния, не способны избирательно наблюдать молекулы воды на границе раздела. Поскольку количество молекул воды во всем объеме жидкости намного больше, чем молекул, находящихся в контакте с поверхностью, сигнал межфазных молекул воды перекрывается сигналом молекул воды в объеме жидкости.

Чтобы преодолеть это ограничение, исследовательская группа из Центра молекулярной спектроскопии и динамики (CMSD) Института фундаментальных наук (IBS) в Сеуле, Южная Корея, и Корейского университета обнаружила, что спектроскопия генерации суммарной частоты колебаний (VSFG) может использоваться для измерения смачиваемости 2D-материалов. Команде удалось измерить колебательный режим молекул воды на границе между графеном и водой с помощью спектроскопии VSFG.

VSFG — полезный метод, который может связать результаты макроскопических измерений со свойствами на молекулярном уровне. Это поверхностно-селективный инструмент для исследования межфазных молекул с использованием собственного правила выбора поверхности, и он имеет очень хорошее поверхностное разрешение с несколькими молекулярными слоями.

Измерения угла контакта графена с водой дают информацию о макроскопической смачиваемости. С другой стороны, эксперимент VSFG может предоставить информацию о микроскопической структуре межфазной воды и смачиваемости графена. Предоставлено: Институт фундаментальных наук.

Группа определила уникальную способность графена проецировать смачиваемость подложки на ее поверхность, что называется «прозрачностью смачивания». Они заметили, что смачивающая прозрачность графена уменьшается по мере увеличения количества слоев графена и исчезает, когда толщина графена превышает четыре слоя. Это первое наблюдение, описывающее, что поверхность графена становится гидрофобной выше определенного количества слоев на молекулярном уровне .

Кроме того, исследователи определили новую концепцию смачиваемости VSFG, которая представляет собой соотношение молекул воды, образующих сильные водородные связи, и молекул воды со слабым образованием водородных связей или без них. Смачиваемость VSFG сильно коррелирует с энергией адгезии, которая рассчитывается на основе наблюдаемых макроскопических измерений WCA. Это доказало, что VSFG является эффективным инструментом для определения смачиваемости поверхности материала.

Используя смачиваемость VSFG, исследователи измерили смачиваемость графена в режиме реального времени, когда к нему прикладывалось электрическое поле для образования оксида графена. В традиционных экспериментах WCA невозможно наблюдать смачиваемость в режиме реального времени. Следовательно, это говорит о том, что VSFG может быть решающим методом для измерения энергии адгезии воды на любой ограниченной в пространстве границе раздела, где измерение угла контакта с водой не может быть применено. Ожидается, что помимо графена спектроскопия VSFG прольет свет на смачиваемость других низкоразмерных материалов.

Первый автор Юнчан Ким отмечает: «Это исследование подтвердило, что спектроскопия VSFG может использоваться в качестве универсального инструмента для измерения смачиваемости», и «Мы демонстрируем потенциал для измерения смачиваемости ранее ненаблюдаемых сложных систем с помощью спектроскопии VSFG».

Профессор CHO Minhaeng, директор CMSD, отмечает: «С помощью спектроскопии VSFG мы изучаем микроскопические свойства графена, а также других двумерных функциональных материалов, таких как оксид графена и гексагональный нитрид бора », и «Благодаря этому будет можно решить различные проблемы, препятствующие коммерциализации двумерных функциональных материалов».

Это исследование было опубликовано в интернет-издании Chem 26 апреля.