Вимірювання «змочуваності» графену та інших 2D матеріалів на молекулярному рівні

Вимірювання кута контакту графену з водою дають можливість отримати інформацію про макроскопічну змочуваність

Мікроскопічне вимірювання змочуваності можна досягти на молекулярному рівні за допомогою нового методу ‘vibrational sum-frequency generation spectroscopy’ (VSFG). 

Змочуваність матеріалу – це здатність рідини підтримувати контакт з твердою поверхнею, яка пропорційна гідрофільності і обернено пропорційна гідрофобності. Це одна з найважливіших властивостей твердої речовини, і розуміння змочуваності різних речовин є критичним для різноманітних промислових застосувань, таких як опріснення, покриття та водні електроліти.

До цього часу більшість досліджень змочуваності матеріалів проводилися на макроскопічному рівні. Макроскопічне вимірювання змочуваності зазвичай визначається шляхом вимірювання кута контакту з водою, який є кутом, який створює крапля води відносно поверхні підкладки. Однак точно виміряти, що відбувається на межі між субстратом і водою на молекулярному рівні, в даний час надзвичайно важко.

Нині мікроскопічні методи вимірювання, такі як інфрачервона спектроскопія або раманівська спектроскопія, не здатні селективно спостерігати міжфазні молекули води. Оскільки кількість молекул води в усьому об’ємі рідини набагато більша, ніж молекул, які стикаються з поверхнею, сигнал міжфазних молекул води затьмарюється сигналом молекул води в об’ємній рідині.

Щоб подолати це обмеження, дослідницька група з Центру молекулярної спектроскопії та динаміки (CMSD) Інституту фундаментальних наук (IBS) у Сеулі, Південна Корея, та Корейського університету виявили, що коливальна спектроскопія сумарної частоти (VSFG) може використовувати для вимірювання змочуваності 2D-матеріалів. Команді вдалося виміряти коливальний режим молекул води між графеном і водою за допомогою VSFG спектроскопії.

(Зліва) Спектри VSFG поверхневої води показують, що пік OH (3600 см-1) з’являється, коли товщина графену перевищує 4 шари. (Праворуч) Розрахована змочуваність VSFG наноситься на графік залежності енергії зчеплення з макроскопічного спостереження. Обидва значення практично збігаються, що вказує на збільшення гідрофобності зі збільшенням кількості шарів графену.

Виявлено, що VSFG є корисною технологією, яка може поєднати результати макроскопічних вимірювань з властивостями на молекулярному рівні. Це поверхнево-селективний інструмент для дослідження міжфазних молекул за допомогою власного правила вибору поверхні, і він має дуже хорошу роздільну здатність поверхні з кількома молекулярними шарами.

Група науковців визначила унікальну здатність графену проектувати змочуваність підкладки на її поверхню, що називається «прозорістю змочування». Вони помітили, що змочувальна прозорість графену зменшується зі збільшенням кількості шарів графену, зникаючи, коли графен має товщину більше ніж 4 шари. Це перше спостереження, яке описує, що поверхня графену стає гідрофобною вище певної кількості шарів на молекулярному рівні.

Крім того, дослідники визначили нову концепцію змочуваності VSFG, яка являє собою відношення молекул води, що утворюють сильні водневі зв’язки, до молекул води зі слабким утворенням водневого зв’язку.

Використовуючи змочуваність VSFG, дослідники вимірювали змочуваність графену в режимі реального часу, оскільки до нього було застосовано електричне поле для утворення оксиду графену. Неможливо спостерігати змочуваність у режимі реального часу за допомогою традиційних експериментів. Таким чином, це говорить про те, що VSFG може бути вирішальним методом для вимірювання енергії адгезії води на будь-якому просторово обмеженому інтерфейсі, де не можна застосувати вимірювання кута контакту з водою.

Перший автор Юнчан Кім зазначає: «Це дослідження підтвердило, що VSFG спектроскопію можна використовувати як універсальний інструмент для вимірювання змочуваності матеріалів».

Професор ЧО Мінхенг, зазначає: «За допомогою спектроскопії VSFG ми вивчаємо мікроскопічні властивості графену, а також інших двовимірних функціональних матеріалів, таких як оксид графену та гексагональний нітрид бору».

Першоджерело: https://scitechdaily.com/measuring-the-wettability-of-graphene-and-other-2d-materials-at-the-molecular-level/ 

Reference: “Wettability of graphene, water contact angle, and interfacial water structure” by Eunchan Kim, Donghwan Kim, Kyungwon Kwak, Yuki Nagata, Mischa Bonn and Minhaeng Cho, 26 April 2022, Chem.
DOI: 10.1016/j.chempr.2022.04.002

Інформацію підготував Назарій Данилюк (провідний фахівець центру, аспірант 1 року навчання спеціальності 102 Хімія)

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься.