Identificatie van de bevochtigbaarheid van grafeenlagen op moleculair niveau

Grafeen is een tweedimensionaal materiaal waarin koolstofatomen zijn gerangschikt in hexagonale structuren en het heeft unieke fysische en chemische eigenschappen zoals subnanometerdikte, chemische stabiliteit, mechanische flexibiliteit, elektrische en thermische geleidbaarheid, optische transparantie en selectieve permeabiliteit voor water. Vanwege deze eigenschappen zijn verschillende toepassingen van grafeen in transparante elektroden, ontzilting, opslag van elektrische energie en katalysatoren grondig bestudeerd.

Omdat grafeen een extreem dun materiaal is, moet het voor praktisch gebruik worden afgezet op andere materialen die als substraat dienen. Een van de onderzoeksonderwerpen die van groot wetenschappelijk belang is, is hoe grafeen op een substraat in wisselwerking staat met water. Bevochtigbaarheid is het vermogen van het grensvlakwater om contact te houden met een vast oppervlak, en hangt af van de hydrofobiciteit van het materiaal. In tegenstelling tot de meeste materialen, varieert de bevochtigbaarheid van grafeen afhankelijk van het type substraat. Meer specifiek wordt de bevochtigbaarheid van het substraat zwak beïnvloed door de aanwezigheid van een enkele grafeenlaag op het oppervlak. Zo’n eigenaardige bevochtigbaarheid van grafeen is beschreven met de term “bevochtigingstransparantie” omdat de bevochtigende eigenschappen op het grensvlak grafeen-water weinig effect hebben op de interactie tussen substraat en water door het dunne grafeen.

Er zijn talloze metingen van de watercontacthoek (WCA) uitgevoerd om de bevochtigbaarheid van grafeen op verschillende soorten substraten te bestuderen. WCA is een veelgebruikte methode om de hydrofobiciteit van het materiaal te meten, aangezien de contacthoek tussen de waterdruppel en het materiaal toeneemt naarmate het materiaal meer hydrofoob wordt. Deze onderzoeken hebben laten doorschemeren dat hoewel de bevochtigbaarheid van grafeenmonolaag opmerkelijk transparant is, het grafeen steeds hydrofoob wordt naarmate het aantal lagen toeneemt. WCA-metingen kunnen echter alleen informatie verschaffen over de macroscopische eigenschappen van het grensvlak grafeen-water, en het kan geen gedetailleerd beeld geven van grensvlakwater aan het grensvlak grafeen-water.

Bovendien zijn andere technieken, zoals Raman-spectroscopie of op reflectie gebaseerde infraroodspectroscopie, die algemeen gebruikt zijn voor het meten van microscopische eigenschappen, niet bruikbaar voor het selectief waarnemen van de grensvlakwatermoleculen. Dat komt omdat het trillingsspectroscopische signaal van grensvlakwatermoleculen volledig wordt gemaskeerd door het enorme signaal van bulkwater. Als gevolg hiervan is het niet geheel verrassend dat er een gebrek is aan studies op moleculair niveau op dit gebied van grafeenonderzoek.

Onlangs heeft een onderzoeksteam van het Center for Molecular Spectroscopy and Dynamics (CMSD) van het Institute for Basic Science (IBS) in Seoul, Zuid-Korea en de Korea University de oorsprong van de bevochtigbaarheid van grafeen onthuld. Het team slaagde erin de waterstofbindingsstructuur van watermoleculen op grafeen-watergrensvlakken te observeren met behulp van een techniek die ‘vibrationele somfrequentie-generatiespectroscopie (VSFG)’ wordt genoemd. VSFG is een niet-lineaire spectroscopie van de tweede orde die kan worden gebruikt om selectief moleculen met gebroken centrosymmetrie te analyseren. Het is een ideale methode om het gedrag en de structuren van watermoleculen op het grensvlak van grafeen te bestuderen, aangezien de watermoleculen in de bulkvloeistof niet zichtbaar zijn vanwege hun isotrope verdeling van moleculaire oriëntaties.

Het onderzoeksteam observeerde de VSFG-spectra van watermoleculen op een meerlaags grafeen dat een calciumfluoride (CaF₂) substraat. Ze waren in staat om veranderingen in de waterstofbrugstructuur van watermoleculen te volgen. Toen er vier of meer lagen grafeen waren, begon een karakteristieke piek bij ~ 3.600 cm-1 te verschijnen in de VFSG-spectra. Deze piek komt overeen met de watermoleculen met de bungelende -OH-groepen die geen waterstofbruggen vormen met aangrenzende watermoleculen, wat een karakteristiek kenmerk is dat vaak wordt aangetroffen voor water aan het hydrofobe grensvlak. Dit resultaat is de eerste waarneming die de moleculaire structuur van water op het grensvlak water-grafeen laat zien.

Daarnaast vergeleken de onderzoekers de VSFG-bevochtigbaarheidswaarde die ze konden berekenen uit de gemeten spectra met de geschatte adhesie-energie die gerelateerd is aan de gemeten WCA’s. Ze ontdekten dat beide eigenschappen sterk met elkaar gecorreleerd zijn. Deze waarneming suggereert dat de VSFG een scherp hulpmiddel zou kunnen zijn om de bevochtigbaarheid van tweedimensionale materialen op moleculair niveau te bestuderen. Het toonde ook de mogelijkheid aan om VSFG te gebruiken als alternatief voor het meten van de adhesie-energie van water op ondergrondse oppervlakken, waar het meten van de watercontacthoek moeilijk of zelfs onmogelijk is.

De eerste en tweede auteurs Kim Donghwan en KIM Eunchan Kim merken op: “Deze studie is het eerste geval waarin de toenemende hydrofobiciteit van het grafeenoppervlak op moleculair niveau wordt beschreven, afhankelijk van het aantal grafeenlagen,” en worden gebruikt als een veelzijdig hulpmiddel om de eigenschappen van functionele tweedimensionale materialen te begrijpen. “

Prof. Cho Minhaeng, de directeur van CMSD, merkt op: “Voor toepassingen waarbij grafeen wordt gebruikt in wateroplossing, is de hydrofobiciteit van het grensvlak een van de sleutelfactoren bij het bepalen van de efficiëntie van grafeenlagen voor verschillende toepassingen. wetenschappelijke basiskennis bieden voor een optimaal ontwerp van op grafeen gebaseerde apparaten in de toekomst. ”