石墨烯和其他二維材料的“潤(rùn)濕性”測(cè)量
材料的潤(rùn)濕性是液體與固體表面保持接觸的能力，它與親水性成正比，與疏水性成反比。它是固體最重要的特性之一，了解不同基質(zhì)的潤(rùn)濕性對(duì)于各種工業(yè)用途至關(guān)重要，如海水淡化、涂層劑和電解質(zhì)。
迄今為止，對(duì)基材潤(rùn)濕性的研究主要是在宏觀層面上進(jìn)行測(cè)量。潤(rùn)濕性的宏觀測(cè)量通常是通過(guò)測(cè)量水接觸角(WCA)來(lái)確定的，即水滴相對(duì)于基體表面的角度。然而，目前還很難從分子水平上準(zhǔn)確測(cè)量底物與水的界面發(fā)生了什么。
目前使用的顯微測(cè)量技術(shù)，例如基于反射的紅外光譜或拉曼光譜，無(wú)法選擇性地觀察界面水分子。由于整個(gè)液體中的水分子數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于與表面接觸的分子，因此界面水分子的信號(hào)被主體液體中的水分子信號(hào)所掩蓋。
為了克服這一限制，韓國(guó)首爾基礎(chǔ)科學(xué)研究所 (IBS) 分子光譜與動(dòng)力學(xué)中心 (CMSD) 和高麗大學(xué)的一個(gè)研究小組發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)和頻率產(chǎn)生光譜 (VSFG) 可以用于測(cè)量二維材料的潤(rùn)濕性。該團(tuán)隊(duì)使用 VSFG 光譜成功地測(cè)量了石墨烯和水界面中水分子的振動(dòng)模式。相關(guān)研究成果以“Wettability of graphene and interfacial water structure”為題，發(fā)表在?Chem?上。
VSFG是一種將宏觀測(cè)量結(jié)果與分子水平性質(zhì)聯(lián)系起來(lái)的有用技術(shù)。它是一種利用自身的表面選擇規(guī)律來(lái)研究界面分子的表面選擇工具，在分子層數(shù)較少的情況下具有很好的表面分辨率。
該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)石墨烯具有獨(dú)特的能力，可以將基底的潤(rùn)濕性投射到其表面，這被稱為“潤(rùn)濕透明度”。他們觀察到，石墨烯的潤(rùn)濕透明度隨著石墨烯層數(shù)的增加而降低，當(dāng)石墨烯厚度超過(guò)4層時(shí)就消失了。這是第一個(gè)描述石墨烯表面在分子水平上超過(guò)一定數(shù)量的層數(shù)即變得疏水的觀察結(jié)果。
圖1. 石墨烯/水層界面水的VSFG光譜及VSFG潤(rùn)濕性和粘附能的比較
(左)界面水的VSFG光譜顯示，當(dāng)石墨烯厚度超過(guò)4層時(shí)，出現(xiàn)了一個(gè)懸垂的OH峰(3600 cm-1)。(右)計(jì)算出的VSFG潤(rùn)濕性是根據(jù)宏觀觀察的粘附能繪制的。這兩個(gè)值吻合得很好，說(shuō)明疏水性隨著石墨烯層數(shù)的增加而增加。
此外，研究人員還定義了VSFG潤(rùn)濕性的新概念，即形成強(qiáng)氫鍵的水分子與形成弱氫鍵或沒(méi)有氫鍵的水分子的比率。VSFG的潤(rùn)濕性與黏附能密切相關(guān)，黏附能是由宏觀WCA測(cè)量結(jié)果計(jì)算得到的。這證明了VSFG是確定材料表面潤(rùn)濕性的有效工具。
利用VSFG潤(rùn)濕性，研究人員在電場(chǎng)作用下形成氧化石墨烯，實(shí)時(shí)測(cè)量了石墨烯的潤(rùn)濕性。傳統(tǒng)的WCA實(shí)驗(yàn)無(wú)法實(shí)時(shí)觀察潤(rùn)濕性。因此，在水接觸角測(cè)量無(wú)法應(yīng)用的任何空間受限界面上，VSFG可以成為測(cè)量水附著能的決定性技術(shù)。除了石墨烯之外，VSFG光譜還有望揭示其他低維材料的潤(rùn)濕性。
圖2. VSFG實(shí)驗(yàn)和水接觸角測(cè)量的圖解
石墨烯的水接觸角測(cè)量提供了宏觀潤(rùn)濕性的信息。另一方面，VSFG實(shí)驗(yàn)可以提供有關(guān)界面水微觀結(jié)構(gòu)和石墨烯潤(rùn)濕性的信息。
第一作者Eunchan Kim指出：“這項(xiàng)研究證實(shí)了VSFG光譜可以用作測(cè)量潤(rùn)濕性的通用工具。以及“我們展示了通過(guò)VSFG光譜測(cè)量以前無(wú)法觀測(cè)到的復(fù)雜體系潤(rùn)濕性的潛力?！?/p>
CMSD主任CHO Minhaeng教授指出：“通過(guò)VSFG光譜，我們正在研究石墨烯以及其他二維功能材料的微觀性質(zhì)（如氧化石墨烯和六方氮化硼）以解決阻礙二維功能材料商業(yè)化的各種問(wèn)題?！?/p>
文獻(xiàn)信息：
Donghwan Kim, Eunchan Kim, Sohyun Park, Seungah Kim, Byoung Koun Min, Hyo Jae Yoon, Kyungwon Kwak, Minhaeng Cho.?Wettability of graphene and interfacial water structure.?Chem, 2021; 7 (6): 1602?DOI:?10.1016/j.chempr.2021.03.006
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