Las mediciones del ángulo de contacto con el agua del grafeno brindan detalles sobre la humectabilidad macroscópica. Alternativamente, el experimento VSFG puede presentar detalles sobre la construcción microscópica del agua interfacial y la humectabilidad del grafeno. Puntaje de crédito: Instituto de Ciencias Primarias

La medición microscópica de la humectabilidad se logrará en la etapa molecular utilizando la “espectroscopia de la era de la frecuencia de la suma vibratoria” (VSFG).

La humectabilidad de la tela es la flexibilidad de un líquido para cuidar el contacto con un piso fuerte, y es proporcional a la hidrofilia e inversamente proporcional a la hidrofobicidad. Sin duda, es una de las propiedades más necesarias de un sólido, y comprender la humectabilidad de varios sustratos es esencial para una amplia gama de propósitos industriales, como la desalinización, los agentes de revestimiento y los electrolitos del agua.

Hasta ahora, la mayoría de las investigaciones sobre la humectabilidad de los sustratos se han realizado en la etapa macroscópica. La medición macroscópica de la humectabilidad generalmente se decide midiendo el ángulo de contacto con el agua (WCA), que es el ángulo que forma una gota de agua con respecto al suelo del sustrato. Sin embargo, medir con precisión lo que ocurre en la interfaz entre un sustrato y el agua en la etapa molecular es actualmente extremadamente complicado.

Por el momento, las estrategias de medición microscópicas utilizadas, como la espectroscopia infrarroja basada en la reflexión o la espectroscopia Raman, son incapaces de observar selectivamente las moléculas de agua interfaciales. Debido a que el número de moléculas de agua en la mayor parte del líquido es mucho más grande que las moléculas que podrían estar en contacto con el piso, la señal de las moléculas de agua interfaciales se ve oscurecida por la señal de las moléculas de agua en la mayor parte del líquido.

Para superar esta limitación, un equipo de análisis del Corazón para Espectroscopia y Dinámica Molecular (CMSD) del Instituto de Ciencias Primarias (IBS) en Seúl, Corea del Sur, y el Colegio de Corea reveló que la espectroscopia de la era de la suma de frecuencias vibratorias (VSFG) puede muy bien ser utilizado para medir la humectabilidad de materiales 2D. El personal logró medir el modo de vibración de las moléculas de agua en las interfaces entre[{“>graphene and water using VSFG spectroscopy.

Measuring the “Wettability” of Graphene

(Left) VSFG spectra of interfacial water show that a dangling OH peak (3600 cm-1) appears when the graphene is more than 4 layers thick. (Right) The calculated VSFG wettability is plotted against adhesion energy from macroscopic observation. Both values coincide closely, which indicates increasing hydrophobicity as the number of graphene layers increases. Credit: Institute for Basic Science

VSFG is a useful technique that can connect the macroscopic measurement results with molecular-level properties. It is a surface-selective tool for investigating interfacial molecules using its own surface selection rule, and it has a very good surface resolution with a few molecular layers.

The group identified the unique ability of the graphene to project the wettability of the substrate onto its surface, which is called ‘wetting transparency’. They observed that the wetting transparency of graphene diminish as the number of graphene layers increased, disappearing when the graphene is more than 4 layers thick. This is the first observation to describe that graphene surface becomes hydrophobic above a certain number of layers at the molecular level.

Also, the researchers defined the new concept of VSFG wettability, which is the ratio of water molecules forming strong hydrogen bonds against water molecules with weak or no hydrogen bond formation. The VSFG wettability correlated strongly with the adhesion energy, which is calculated from the observed macroscopic WCA measurements. This proved that VSFG is an effective tool for defining the wettability of a material’s surface.

Using VSFG wettability, the researchers measured the wettability of the graphene in real-time, as an electric field was applied for it to form graphene oxide. It is impossible to observe wettability in real-time with the traditional WCA experiments. Therefore, this suggests that VSFG could be a decisive technique for measuring the water adhesion energy on any spatially confined interface where the water contact angle measurement cannot be applied. In addition to graphene, VSFG spectroscopy is expected to shed light on the wettability of other low-dimensional materials.

First author Eunchan Kim notes: “This study confirmed that VSFG spectroscopy could be used as a versatile tool for measuring the wettability.”, and “We demonstrate the potential to measure the wettability of previously unobservable complex systems through VSFG spectroscopy.”

Professor CHO Minhaeng, the Director of CMSD notes: “With VSFG spectroscopy, we are studying the microscopic properties of graphene as well as other two-dimensional functional materials such as graphene oxide and hexagonal boron nitride.”, and “Through this, it will be possible to solve various problems that hinder the commercialization of two-dimensional functional materials.”

This research was published in the online edition of Chem (IF 22.804) on April 26th, 2022.

Reference: “Wettability of graphene, water contact angle, and interfacial water structure” by Eunchan Kim, Donghwan Kim, Kyungwon Kwak, Yuki Nagata, Mischa Bonn and Minhaeng Cho, 26 April 2022, Chem.
DOI: 10.1016/j.chempr.2022.04.002

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Por Andrés

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