Måling af fugtigheden af ​​grafen og andre 2D-materialer

Et materiales fugtighed er en væskes evne til at opretholde kontakt med en fast overflade, og den er proportional med hydrofilicitet og omvendt proportional med hydrofobicitet. Det er en af ​​de vigtigste egenskaber ved et fast stof, og forståelsen af ​​befugtningsevnen af ​​forskellige substrater er afgørende for forskellige industrielle anvendelser, såsom afsaltning, belægningsmidler og vandelektrolytter.

Hidtil er undersøgelser af substraters fugtbarhed hovedsageligt blevet målt på makroskopisk niveau. Den makroskopiske måling af befugtningsevne bestemmes typisk ved at måle vandkontaktvinklen (WCA), som er den vinkel en vanddråbe danner i forhold til overfladen af ​​substratet. Men det er i øjeblikket meget vanskeligt at måle præcist, hvad der sker ved grænsefladen mellem et substrat og vand på molekylært niveau.

Aktuelt anvendte mikroskopiske måleteknikker, såsom refleksionsbaseret infrarød spektroskopi eller Raman-spektroskopi, er ude af stand til selektivt at observere grænsefladevandmolekylerne. Da antallet af vandmolekyler i hele væskemassen er meget større end de molekyler, der kommer i kontakt med overfladen, bliver signalet fra grænsefladevandmolekyler sløret af signalet fra vandmolekyler i bulkvæsken.

For at overvinde denne begrænsning afslørede et forskerhold ved Center for Molecular Spectroscopy and Dynamics (CMSD) i Institute for Basic Science (IBS) i Seoul, Sydkorea, og Korea University, at vibrationssum-frekvensgenereringsspektroskopi (VSFG) kunne bruges til at måle fugtigheden af ​​2D-materialer. Holdet lykkedes med at måle vandmolekylers vibrationstilstand i grænseflader mellem grafen og vand ved hjælp af VSFG-spektroskopi.

VSFG er en nyttig teknik, der kan forbinde de makroskopiske måleresultater med egenskaber på molekylært niveau. Det er et overfladeselektivt værktøj til at undersøge grænseflademolekyler ved hjælp af sin egen overfladeudvælgelsesregel, og det har en meget god overfladeopløsning med nogle få molekylære lag.

Gruppen identificerede grafenens unikke evne til at projicere substratets befugtningsevne på dets overflade, hvilket kaldes "befugtningsgennemsigtighed". De observerede, at grafenens gennemsigtighed for fugt aftager, efterhånden som antallet af grafenlag øges, og forsvinder, når grafenet er mere end fire lag tykt. Dette er den første observation, der beskriver, at grafenoverfladen bliver hydrofob over et vist antal lag på molekylært niveau.

Forskerne definerede også det nye koncept for VSFG befugtning, som er forholdet mellem vandmolekyler, der danner stærke hydrogenbindinger, mod vandmolekyler med svag eller ingen hydrogenbindingsdannelse. VSFG-befugtningsevnen korrelerede stærkt med adhæsionsenergien, som er beregnet ud fra de observerede makroskopiske WCA-målinger. Dette beviste, at VSFG er et effektivt værktøj til at definere fugtbarheden af ​​et materiales overflade.

Ved hjælp af VSFG befugtningsevne målte forskerne befugtningsevnen af ​​grafen i realtid, da et elektrisk felt blev påført for at danne grafenoxid. Det er umuligt at observere befugtning i realtid med de traditionelle WCA-eksperimenter. Derfor tyder dette på, at VSFG kunne være en afgørende teknik til at måle vandadhæsionsenergien på enhver rumligt begrænset grænseflade, hvor vandkontaktvinkelmålingen ikke kan anvendes. Ud over grafen forventes VSFG-spektroskopi at kaste lys over befugtningen af ​​andre lavdimensionelle materialer.

Første forfatter Eunchan Kim bemærker:"Denne undersøgelse bekræftede, at VSFG-spektroskopi kunne bruges som et alsidigt værktøj til at måle befugtningsevnen," og "Vi demonstrerer potentialet til at måle befugtningsevnen af ​​tidligere uobserverbare komplekse systemer gennem VSFG-spektroskopi."

Professor CHO Minhaeng, direktøren for CMSD bemærker:"Med VSFG-spektroskopi studerer vi de mikroskopiske egenskaber af grafen såvel som andre todimensionelle funktionelle materialer såsom grafenoxid og sekskantet bornitrid," og "Igennem dette vil det blive muligt at løse forskellige problemer, der hindrer kommercialiseringen af ​​todimensionelle funktionelle materialer."

Denne forskning blev offentliggjort i online-udgaven af ​​Chem den 26. april. + Udforsk yderligere

Identifikation af fugtigheden af ​​grafenlag på molekylært niveau