La bagnabilità di un materiale è la capacità di un liquido di mantenere il contatto con una superficie solida, ed è proporzionale all'idrofilia e inversamente proporzionale all'idrofobicità. È una delle proprietà più importanti di un solido e la comprensione della bagnabilità di diversi substrati è essenziale per vari usi industriali, come la desalinizzazione, gli agenti di rivestimento e gli elettroliti dell'acqua.

Finora gli studi sulla bagnabilità dei substrati sono stati misurati principalmente a livello macroscopico. La misurazione macroscopica della bagnabilità è tipicamente determinata misurando l'angolo di contatto con l'acqua (WCA), che è l'angolo formato da una goccia d'acqua rispetto alla superficie del substrato. Tuttavia, attualmente è molto difficile misurare con precisione ciò che accade all'interfaccia tra un substrato e l'acqua a livello molecolare.

Le tecniche di misurazione microscopiche attualmente utilizzate, come la spettroscopia infrarossa basata sulla riflessione o la spettroscopia Raman, non sono in grado di osservare selettivamente le molecole d'acqua interfacciali. Poiché il numero di molecole d'acqua nell'intera massa del liquido è molto più grande delle molecole che entrano in contatto con la superficie, il segnale delle molecole d'acqua interfacciali è oscurato dal segnale delle molecole d'acqua nel liquido sfuso.

Per superare questa limitazione, un gruppo di ricerca presso il Center for Molecular Spectroscopy and Dynamics (CMSD) all'interno dell'Institute for Basic Science (IBS) di Seoul, in Corea del Sud, e la Korea University hanno rivelato che la spettroscopia di generazione di frequenza somma vibrazionale (VSFG) potrebbe essere utilizzato per misurare la bagnabilità di materiali 2D. Il team è riuscito a misurare la modalità vibrazionale delle molecole d'acqua nelle interfacce tra grafene e acqua utilizzando la spettroscopia VSFG.

VSFG è una tecnica utile in grado di collegare i risultati delle misurazioni macroscopiche con proprietà a livello molecolare. È uno strumento di selezione della superficie per studiare le molecole interfacciali utilizzando la propria regola di selezione della superficie e ha un'ottima risoluzione della superficie con pochi strati molecolari.

Il gruppo ha identificato la capacità unica del grafene di proiettare la bagnabilità del substrato sulla sua superficie, che è chiamata "trasparenza bagnante". Hanno osservato che la trasparenza bagnante del grafene diminuisce all'aumentare del numero di strati di grafene, scomparendo quando il grafene ha uno spessore superiore a quattro strati. Questa è la prima osservazione per descrivere che la superficie del grafene diventa idrofobica al di sopra di un certo numero di strati a livello molecolare.

Inoltre, i ricercatori hanno definito il nuovo concetto di bagnabilità VSFG, che è il rapporto tra le molecole d'acqua che formano forti legami idrogeno contro le molecole d'acqua con formazione di legami idrogeno deboli o assenti. La bagnabilità del VSFG era fortemente correlata all'energia di adesione, che viene calcolata dalle misurazioni WCA macroscopiche osservate. Ciò ha dimostrato che VSFG è uno strumento efficace per definire la bagnabilità della superficie di un materiale.

Utilizzando la bagnabilità VSFG, i ricercatori hanno misurato la bagnabilità del grafene in tempo reale, poiché è stato applicato un campo elettrico per formare ossido di grafene. È impossibile osservare la bagnabilità in tempo reale con i tradizionali esperimenti WCA. Pertanto, ciò suggerisce che VSFG potrebbe essere una tecnica decisiva per misurare l'energia di adesione dell'acqua su qualsiasi interfaccia confinata nello spazio in cui non è possibile applicare la misurazione dell'angolo di contatto dell'acqua. Oltre al grafene, ci si aspetta che la spettroscopia VSFG faccia luce sulla bagnabilità di altri materiali a bassa dimensione.

Il primo autore Eunchan Kim osserva:"Questo studio ha confermato che la spettroscopia VSFG potrebbe essere utilizzata come strumento versatile per misurare la bagnabilità" e "Dimostriamo il potenziale per misurare la bagnabilità di sistemi complessi precedentemente non osservabili attraverso la spettroscopia VSFG".

Il professor CHO Minhaeng, direttore del CMSD osserva:"Con la spettroscopia VSFG, stiamo studiando le proprietà microscopiche del grafene e altri materiali funzionali bidimensionali come l'ossido di grafene e il nitruro di boro esagonale" e "Attraverso questo, sarà possibile risolvere vari problemi che ostacolano la commercializzazione di materiali funzionali bidimensionali."

Questa ricerca è stata pubblicata nell'edizione online di Chem il 26 aprile. + Esplora ulteriormente

Identificazione della bagnabilità degli strati di grafene a livello molecolare