測量石墨烯和其他二維材料的潤濕性
材料的潤濕性是液體與固體表面保持接觸的能力，與親水性成正比，與疏水性成反比。它是固體最重要的特性之一，了解不同基材的潤濕性對于各種工業(yè)用途至關(guān)重要，例如脫鹽、涂層劑和水電解質(zhì)。
迄今為止，對基材潤濕性的研究主要是在宏觀層面進行測量。潤濕性的宏觀測量通常通過測量水接觸角(WCA)來確定，該接觸角是水滴相對于基材表面形成的角度。然而，目前很難在分子水平上準確測量底物和水之間的界面發(fā)生的情況。
目前使用的顯微測量技術(shù)，例如基于反射的紅外光譜或拉曼光譜，無法選擇性地觀察界面水分子。由于整個液體中的水分子數(shù)量遠大于與表面接觸的分子，因此界面水分子的信號被主體液體中的水分子信號所掩蓋。
為了克服這一限制，韓國首爾基礎(chǔ)科學(xué)研究所(IBS)分子光譜與動力學(xué)中心(CMSD)和高麗大學(xué)的一個研究小組發(fā)現(xiàn)，振動和頻發(fā)生光譜(VSFG)可以用于測量二維材料的潤濕性。該團隊使用VSFG光譜成功地測量了石墨烯和水界面中水分子的振動模式。
VSFG是一種有用的技術(shù)，可以將宏觀測量結(jié)果與分子水平的特性聯(lián)系起來。它是一種使用自己的表面選擇規(guī)則研究界面分子的表面選擇工具，它具有非常好的表面分辨率，只有幾個分子層。
該小組確定了石墨烯將基板的潤濕性投射到其表面的獨特能力，這被稱為“潤濕透明度”。他們觀察到石墨烯的潤濕透明度隨著石墨烯層數(shù)的增加而降低，當(dāng)石墨烯超過四層厚時消失。這是第一個描述石墨烯表面在分子水平上超過一定數(shù)量的層變得疏水的觀察結(jié)果。
此外，研究人員還定義了VSFG潤濕性的新概念，即形成強氫鍵的水分子與形成弱氫鍵或不形成氫鍵的水分子的比率。VSFG潤濕性與粘附能密切相關(guān)，粘附能是根據(jù)觀察到的宏觀WCA測量值計算得出的。這證明VSFG是定義材料表面潤濕性的有效工具。
使用VSFG潤濕性，研究人員實時測量了石墨烯的潤濕性，因為對其施加電場以形成氧化石墨烯。傳統(tǒng)的WCA實驗無法實時觀察潤濕性。因此，這表明VSFG可能是一種決定性的技術(shù)，用于測量無法應(yīng)用水接觸角測量的任何空間受限界面上的水粘附能。除了石墨烯，VSFG光譜有望揭示其他低維材料的潤濕性。
第一作者EunchanKim指出：“這項研究證實了VSFG光譜可以用作測量潤濕性的通用工具”，并且“我們展示了通過VSFG光譜測量以前無法觀察到的復(fù)雜系統(tǒng)的潤濕性的潛力。”
CMSD主任CHOMinhaeng教授指出：“通過VSFG光譜，我們正在研究石墨烯以及其他二維功能材料(如氧化石墨烯和六方氮化硼)的微觀性質(zhì)”，“通過這個，它將可以解決阻礙二維功能材料商業(yè)化的各種問題。”
標簽：