Il grafene è un materiale bidimensionale in cui gli atomi di carbonio sono disposti in strutture esagonali, e ha proprietà fisiche e chimiche uniche come spessore sub-nanometrico, stabilità chimica, flessibilità meccanica, conducibilità elettrica e termica, trasparenza ottica, e permeabilità selettiva all'acqua. A causa di queste proprietà, varie applicazioni del grafene in elettrodi trasparenti, desalinizzazione, stoccaggio di energia elettrica, e catalizzatori sono stati vigorosamente studiati.

Poiché il grafene è un materiale estremamente sottile, per usi pratici, deve essere depositato sopra altri materiali che fungono da substrato. Uno dei temi di ricerca di grande interesse scientifico è il modo in cui il grafene su un substrato interagisce con l'acqua. La bagnabilità è la capacità dell'acqua interfacciale di mantenere il contatto con una superficie solida, e dipende dall'idrofobicità del materiale. A differenza della maggior parte dei materiali, la bagnabilità del grafene varia a seconda del tipo di substrato. Più specificamente, la bagnabilità del substrato è debolmente influenzata dalla presenza di un singolo strato di grafene sulla sua superficie. Tale peculiare bagnabilità del grafene è stata descritta con il termine "trasparenza bagnante" perché le proprietà di bagnatura all'interfaccia grafene-acqua hanno scarso effetto sull'interazione substrato-acqua attraverso il grafene sottile.

Sono state effettuate numerose misurazioni dell'angolo di contatto con l'acqua (WCA) per studiare la bagnabilità del grafene su vari tipi di substrati. Il WCA è un metodo comunemente usato per misurare l'idrofobicità del materiale poiché l'angolo di contatto tra la goccia d'acqua e il materiale aumenta man mano che il materiale diventa più idrofobo. Questi studi hanno suggerito che mentre la bagnabilità del monostrato di grafene è notevolmente trasparente, il grafene diventa sempre più idrofobo all'aumentare del numero di strati. Però, La misurazione WCA può fornire solo informazioni sulle proprietà macroscopiche dell'interfaccia grafene-acqua, e non può fornire un'immagine dettagliata dell'acqua interfacciale all'interfaccia grafene-acqua.

Per di più, altre tecniche come la spettroscopia Raman o la spettroscopia infrarossa basata sulla riflessione, che sono stati comunemente usati per misurare le proprietà microscopiche, non sono utili per l'osservazione selettiva delle molecole d'acqua interfacciali. Questo perché il segnale spettroscopico vibrazionale delle molecole d'acqua interfacciali è completamente mascherato dall'enorme segnale proveniente dall'acqua sfusa. Di conseguenza, non è del tutto sorprendente che ci sia stata una carenza di studi a livello molecolare in quest'area della ricerca sul grafene.

Recentemente, un gruppo di ricerca presso il Center for Molecular Spectroscopy and Dynamics (CMSD) all'interno dell'Institute for Basic Science (IBS) a Seoul, La Corea del Sud e l'Università della Corea hanno rivelato l'origine della bagnabilità del grafene. Il team è riuscito a osservare la struttura del legame idrogeno delle molecole d'acqua alle interfacce grafene-acqua utilizzando una tecnica chiamata "spettroscopia di generazione di frequenza somma vibrazionale (VSFG)". VSFG è una spettroscopia non lineare di secondo ordine che può essere utilizzata per analizzare selettivamente molecole con centrosimmetria rotta. È un metodo ideale per studiare il comportamento e le strutture delle molecole d'acqua all'interfaccia del grafene poiché le molecole d'acqua nel liquido sfuso non sono visibili a causa della loro distribuzione isotropa degli orientamenti molecolari.

Il team di ricerca ha osservato gli spettri VSFG delle molecole d'acqua su un grafene multistrato che copre un fluoruro di calcio (CaF ₂ ) substrato. Sono stati in grado di monitorare i cambiamenti nella struttura del legame idrogeno delle molecole d'acqua. Quando c'erano quattro o più strati di grafene, un picco caratteristico a ~3, 600 cm-1 hanno iniziato ad apparire negli spettri VFSG. Questo picco corrisponde alle molecole d'acqua con i gruppi -OH penzolanti che non formano legami idrogeno con le molecole d'acqua vicine, che è una caratteristica che è stata comunemente trovata per l'acqua all'interfaccia idrofobica. Questo risultato è la prima osservazione che mostra la struttura a livello molecolare dell'acqua all'interfaccia acqua-grafene.

Inoltre, i ricercatori hanno confrontato il valore di bagnabilità VSFG che potevano calcolare dagli spettri misurati con l'energia di adesione stimata correlata ai WCA misurati. Hanno scoperto che entrambe le proprietà sono altamente correlate tra loro. Questa osservazione suggerisce che il VSFG potrebbe essere uno strumento incisivo per studiare la bagnabilità di materiali bidimensionali a livello molecolare. Ha inoltre mostrato la possibilità di utilizzare VSFG come alternativa alla misurazione dell'energia di adesione dell'acqua su superfici interrate, dove misurare l'angolo di contatto con l'acqua è difficile o addirittura impossibile.

Il primo e il secondo autore Kim Donghwan e KIM Eunchan Kim osservano:"Questo studio è il primo caso che descrive la crescente idrofobicità della superficie del grafene a livello molecolare a seconda del numero di strati di grafene, " e "La spettroscopia di generazione di frequenze di somma vibrazionale potrebbe essere utilizzata come strumento versatile per comprendere le proprietà di qualsiasi materiale bidimensionale funzionale".

Prof. Cho Minhaeng, il Direttore del CMSD, note:"Per applicazioni in cui il grafene è utilizzato in soluzione acquosa, l'idrofobicità dell'interfaccia è uno dei fattori chiave nel determinare l'efficienza degli strati di grafene per varie applicazioni. Questa ricerca dovrebbe fornire conoscenze scientifiche di base per una progettazione ottimale di dispositivi a base di grafene in futuro".