Die Benetzbarkeit eines Materials ist die Fähigkeit einer Flüssigkeit, den Kontakt mit einer festen Oberfläche aufrechtzuerhalten, und sie ist proportional zur Hydrophilie und umgekehrt proportional zur Hydrophobie. Es ist eine der wichtigsten Eigenschaften eines Feststoffs, und das Verständnis der Benetzbarkeit verschiedener Substrate ist für verschiedene industrielle Anwendungen wie Entsalzung, Beschichtungsmittel und Wasserelektrolyte unerlässlich.
Bisher wurden Untersuchungen zur Benetzbarkeit von Substraten hauptsächlich auf makroskopischer Ebene gemessen. Die makroskopische Messung der Benetzbarkeit wird typischerweise durch Messen des Wasserkontaktwinkels (WCA) bestimmt, bei dem es sich um den Winkel handelt, den ein Wassertropfen in Bezug auf die Oberfläche des Substrats bildet. Derzeit ist es jedoch sehr schwierig, auf molekularer Ebene genau zu messen, was an der Grenzfläche zwischen einem Substrat und Wasser passiert.
Gegenwärtig eingesetzte mikroskopische Messtechniken wie die reflexionsbasierte Infrarotspektroskopie oder die Raman-Spektroskopie sind nicht in der Lage, die Grenzflächen-Wassermoleküle selektiv zu beobachten. Da die Anzahl der Wassermoleküle in der gesamten Masse der Flüssigkeit viel größer ist als die Moleküle, die mit der Oberfläche in Kontakt kommen, wird das Signal der Wassermoleküle an der Grenzfläche durch das Signal der Wassermoleküle in der Masse der Flüssigkeit verdeckt.
Um diese Einschränkung zu überwinden, hat ein Forschungsteam am Center for Molecular Spectroscopy and Dynamics (CMSD) innerhalb des Institute for Basic Science (IBS) in Seoul, Südkorea, und der Korea University herausgefunden, dass die Schwingungssummenfrequenzerzeugungsspektroskopie (VSFG) dies könnte zur Messung der Benetzbarkeit von 2D-Materialien verwendet werden. Dem Team gelang es, den Schwingungsmodus von Wassermolekülen in Grenzflächen zwischen Graphen und Wasser mittels VSFG-Spektroskopie zu messen.
VSFG ist eine nützliche Technik, die die makroskopischen Messergebnisse mit Eigenschaften auf molekularer Ebene verbinden kann. Es ist ein oberflächenselektives Werkzeug zur Untersuchung von Grenzflächenmolekülen mit einer eigenen Oberflächenauswahlregel und hat eine sehr gute Oberflächenauflösung mit wenigen Molekülschichten.
Die Gruppe identifizierte die einzigartige Fähigkeit des Graphens, die Benetzbarkeit des Substrats auf seine Oberfläche zu projizieren, was als „Benetzungstransparenz“ bezeichnet wird. Sie beobachteten, dass die Benetzungstransparenz von Graphen mit zunehmender Anzahl von Graphenschichten abnimmt und verschwindet, wenn das Graphen mehr als vier Schichten dick ist. Dies ist die erste Beobachtung, die beschreibt, dass die Graphenoberfläche oberhalb einer bestimmten Anzahl von Schichten auf molekularer Ebene hydrophob wird.
Außerdem definierten die Forscher das neue Konzept der VSFG-Benetzbarkeit, bei dem es sich um das Verhältnis von Wassermolekülen, die starke Wasserstoffbrückenbindungen bilden, zu Wassermolekülen mit schwacher oder keiner Wasserstoffbrückenbildung handelt. Die VSFG-Benetzbarkeit korrelierte stark mit der Adhäsionsenergie, die aus den beobachteten makroskopischen WCA-Messungen berechnet wird. Dies bewies, dass VSFG ein wirksames Instrument zur Bestimmung der Benetzbarkeit einer Materialoberfläche ist.
Unter Verwendung der VSFG-Benetzbarkeit maßen die Forscher die Benetzbarkeit des Graphens in Echtzeit, während ein elektrisches Feld angelegt wurde, um Graphenoxid zu bilden. Mit den herkömmlichen WCA-Experimenten ist es unmöglich, die Benetzbarkeit in Echtzeit zu beobachten. Daher deutet dies darauf hin, dass VSFG eine entscheidende Technik zur Messung der Wasseradhäsionsenergie an jeder räumlich begrenzten Grenzfläche sein könnte, an der die Messung des Wasserkontaktwinkels nicht angewendet werden kann. Neben Graphen soll die VSFG-Spektroskopie Aufschluss über die Benetzbarkeit anderer niedrigdimensionaler Materialien geben.
Erstautorin Eunchan Kim merkt an: „Diese Studie bestätigte, dass die VSFG-Spektroskopie als vielseitiges Werkzeug zur Messung der Benetzbarkeit verwendet werden kann“ und „Wir demonstrieren das Potenzial, die Benetzbarkeit von zuvor nicht beobachtbaren komplexen Systemen durch VSFG-Spektroskopie zu messen.“
Professor CHO Minhaeng, der Direktor des CMSD, merkt an: „Mit der VSFG-Spektroskopie untersuchen wir die mikroskopischen Eigenschaften von Graphen sowie anderer zweidimensionaler funktioneller Materialien wie Graphenoxid und hexagonalem Bornitrid“ und „Dadurch wird es sein möglich, verschiedene Probleme zu lösen, die die Kommerzialisierung von zweidimensionalen Funktionsmaterialien behindern.“
Diese Forschung wurde in der Online-Ausgabe von veröffentlicht Chem am 26.04.
Eunchan Kim et al, Benetzbarkeit von Graphen, Wasserkontaktwinkel und Wasserstruktur an der Grenzfläche, Chem (2022). DOI: 10.1016/j.chempr.2022.04.002