科学探索|研究人员现可在分子水平上测量石墨烯及其他2D材料的“湿润性” 研究人员现可在分子水平上测

【科学探索|研究人员现可在分子水平上测量石墨烯及其他2D材料的“湿润性”】材料的润湿性是液体跟固体表面保持接触的能力，它跟亲水性成正比，跟疏水性成反比。它是固体最重要的特性之一，了解不同基材的润湿性对各种工业应用至关重要，如海水淡化、涂层剂和水电解质。

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到目前为止，大多数关于基质润湿性的研究都是在宏观层面进行的。润湿性的宏观测量通常是通过测量水接触角(WCA)来确定的，水接触角是水滴相对于基材表面的角度。然而在分子水平上准确测量基材和水之间的界面所发生的事情目前是非常困难的。
目前使用的微观测量技术如基于反射的红外光谱或拉曼光谱则都无法有选择地观察界面水分子。因为在整个液体中，水分子的数量远远大于与表面接触的分子，界面水分子的信号则会被液体中的水分子的信号所掩盖。
为了克服这一限制，韩国首尔基础科学研究所(IBS)内的分子光谱学和动力学中心(CMSD)和韩国大学联合展开的一个研究小组发现，振动和频率生成光谱(VSFG)可用于测量二维材料的润湿性。该小组利用VSFG光谱成功地测量了石墨烯和水之间的界面中水分子的振动模式。

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VSFG是一种有用的技术，它可以将宏观测量结果跟分子水平的特性联系起来。它是一种表面选择工具，利用其自身的表面选择规则来研究界面分子，并且它具有非常好的表面分辨率--只有几个分子层。
据了解，研究小组确定了石墨烯将基材的润湿性投射到其表面的独特能力，这被称为“润湿透明度” 。他们观察到，石墨烯的润湿透明度随着石墨烯层数的增加而减少，当石墨烯的厚度超过4层时就消失了。这是第一个描述石墨烯表面在分子水平上超过一定层数后变得疏水的观察。
此外，研究人员还定义了VSFG润湿性的新概念，即形成强氢键的水分子跟形成弱氢键或无氢键的水分子的比率。VSFG的润湿性跟粘附能密切相关，粘附能是由观察到的宏观WCA测量值计算出来的。这证明VSFG是定义材料表面润湿性的一个有效工具。
通过利用VSFG的润湿性，研究人员实时测量了石墨烯的润湿性。而使用传统的WCA实验不可能实时观察润湿性。因此这表明VSFG可以成为一种决定性的技术，用于测量任何不能应用水接触角测量的空间封闭界面上的水粘附能量。除了石墨烯之外， VSFG光谱学有望阐明其他低维材料的润湿性。
这项研究的论文第一作者Eunchan Kim指出：“这项研究证实了VSFG光谱可以作为测量润湿性的通用工具。我们证明了通过VSFG光谱测量以前无法观察到的复杂系统的润湿性的潜力。”
CMSD主任CHO Minhaeng教授指出：“通过VSFG光谱，我们正在研究石墨烯及其他二维功能材料如氧化石墨烯和六方氮化硼的微观特性。通过这些，将有可能解决阻碍二维功能材料商业化的各种问题。”