Identifikation af fugtigheden af ​​grafenlag på molekylært niveau

Grafen er et todimensionelt materiale, hvor carbonatomer er arrangeret i sekskantede strukturer, og det har unikke fysiske og kemiske egenskaber såsom sub-nanometer tykkelse, kemisk stabilitet, mekanisk fleksibilitet, elektrisk og termisk ledningsevne, optisk gennemsigtighed, og selektiv permeabilitet for vand. På grund af disse egenskaber, forskellige anvendelser af grafen i gennemsigtige elektroder, afsaltning, lagring af elektrisk energi, og katalysatorer er blevet grundigt undersøgt.

Fordi grafen er et ekstremt tyndt materiale, til praktisk brug, det skal deponeres oven på andre materialer, der tjener som substrat. Et af de forskningsemner, der er af stor videnskabelig interesse, er, hvordan grafen på et substrat interagerer med vand. Befugtningsevne er grænsefladevandets evne til at opretholde kontakt med en fast overflade, og det afhænger af materialets hydrofobicitet. I modsætning til de fleste materialer, befugtningsevnen af ​​grafen varierer afhængigt af typen af ​​substrat. Mere specifikt, substratets befugtningsevne er svagt påvirket af tilstedeværelsen af ​​et enkelt grafenlag på dets overflade. En sådan ejendommelig befugtningsevne af grafen er blevet beskrevet af udtrykket "befugtningsgennemsigtighed", fordi befugtningsegenskaberne ved grafen-vand-grænsefladen har ringe effekt på substrat-vand-interaktionen gennem den tynde grafen.

Der har været adskillige målinger af vandkontaktvinkel (WCA) for at studere befugtningen af ​​grafen på forskellige typer underlag. WCA er en almindeligt anvendt metode til at måle materialets hydrofobicitet, da kontaktvinklen mellem vanddråben og materialet øges, efterhånden som materialet bliver mere hydrofobt. Disse undersøgelser har antydet, at selvom befugtningen af ​​grafen-monolag er særlig gennemsigtig, grafenen bliver mere og mere hydrofob, efterhånden som antallet af lag stiger. Imidlertid, WCA-måling kan kun give information om de makroskopiske egenskaber af grafen-vand-grænsefladen, og det kan ikke give et detaljeret billede af grænsefladevand ved grafen-vand-grænsefladen.

Desuden, andre teknikker såsom Raman-spektroskopi eller refleksionsbaseret infrarød spektroskopi, som er almindeligt anvendt til at måle mikroskopiske egenskaber, er ikke anvendelige til selektiv observation af grænsefladevandmolekylerne. Det skyldes, at det vibrationsspektroskopiske signal fra grænsefladevandmolekyler er fuldstændig maskeret af det enorme signal fra bulkvand. Som resultat, det er ikke helt overraskende, at der har været mangel på undersøgelser på molekylært niveau inden for dette område af grafenforskning.

For nylig, et forskerhold ved Center for Molecular Spectroscopy and Dynamics (CMSD) i Institute for Basic Science (IBS) i Seoul, Sydkorea og Korea University afslørede oprindelsen af ​​befugtningen af ​​grafen. Holdet lykkedes med at observere hydrogenbindingsstrukturen af ​​vandmolekyler ved grafen-vand-grænseflader ved hjælp af en teknik kaldet 'vibrational sum-frequency generation spectroscopy (VSFG)'. VSFG er en anden-ordens ikke-lineær spektroskopi, der kan bruges til selektivt at analysere molekyler med brudt centrosymmetri. Det er en ideel metode til at studere adfærd og strukturer af vandmolekyler ved grafengrænsefladen, da vandmolekylerne i bulkvæsken ikke er synlige på grund af deres isotrope fordeling af molekylære orienteringer.

Forskerholdet observerede VSFG-spektrene af vandmolekyler på en flerlagsgrafen, der dækker et calciumfluorid (CaF) ₂ ) substrat. De var i stand til at spore ændringer i hydrogenbindingsstrukturen af ​​vandmolekyler. Når der var fire eller flere lag grafen, en karakteristisk top ved ~3, 600 cm-1 begyndte at dukke op i VFSG-spektrene. Denne top svarer til vandmolekylerne med de dinglende -OH-grupper, der ikke danner hydrogenbindinger med nabovandmolekyler, hvilket er et karakteristisk træk, der almindeligvis er blevet fundet for vand ved den hydrofobe grænseflade. Dette resultat er den første observation, der viser vandets struktur på molekylært niveau ved vand-grafen-grænsefladen.

Ud over, forskerne sammenlignede VSFG-befugtningsværdien, som de kunne beregne ud fra de målte spektre, med den estimerede adhæsionsenergi, der er relateret til de målte WCA'er. De fandt ud af, at begge egenskaber er meget korrelerede med hinanden. Denne observation tyder på, at VSFG kunne være et skarpt værktøj til at studere fugtbarheden af ​​todimensionelle materialer på molekylært niveau. Det viste også muligheden for at bruge VSFG som et alternativ til at måle adhæsionsenergien af ​​vand på nedgravede overflader, hvor måling af vandkontaktvinklen er vanskelig eller endda umulig.

Den første og anden forfatter Kim Donghwan og KIM Eunchan Kim bemærker:"Dette studie er det første tilfælde, der beskriver den stigende hydrofobicitet af grafenoverfladen på et molekylært niveau afhængigt af antallet af grafenlag, " og "Vibrationssum-frekvensgenereringsspektroskopi kunne bruges som et alsidigt værktøj til at forstå egenskaberne af ethvert funktionelt todimensionelt materiale."

Prof. Cho Minhaeng, direktøren for CMSD, bemærker:"Til applikationer, hvor grafen anvendes i vandopløsning, grænsefladens hydrofobicitet er en af ​​nøglefaktorerne til at bestemme effektiviteten af ​​grafenlag til forskellige anvendelser. Denne forskning forventes at give grundlæggende videnskabelig viden til et optimalt design af grafen-baserede enheder i fremtiden."